微晶玻璃

微晶玻璃的生产制备

1．微晶玻璃概述

新型微晶材料的开发研制最先起于美国，亚洲的日本紧随其后，成为目前世界上新型微晶材料的生产大国，此后西欧和亚太地区的经济发达国家不甘落后，也加紧开发研制。而我国则起步于上世纪的八十年代初，经过二十年的开发，微晶材料的生产工艺基本上已趋于成熟，进入了实用阶段。它主要用做建筑装饰材料、飞机、火箭、卫星等结构材料，医疗、化工等防腐材料以及军事上，如激光制导材料等。

微晶玻璃是新型微晶材料的一种，它是通过基础玻璃或其它材料在加热过程中进行控制晶化而得到的一种中含有大量微晶体和玻璃体的复合固体材料。更具体说，它是在高达1500℃高温条件下，从含特殊成份的玻璃液中析出的特殊晶相及硅灰石晶体和玻璃相结合致密整体结晶材料。其颜色多种多样。生产方法可分为烧结法、压延法、浇铸法。产品按配方可分为两大类，一类是矿渣类。所用原料为矿渣、石英砂、长石、石灰石、萤石、白云石、滑石等；第二类为泥沙类。所用原料为泥沙、石英砂、长石、纯碱、石灰石、白云石、重晶石、萤石等。

由于微晶玻璃是硅灰石相和玻璃相相结合的致密整体结晶材料，颜色上是以金属氧化物为着色剂，因而其表面特征既有陶瓷的特征，又与天然石材极其相似，加之材料形状多为板材，因而许多人又将其称作为微晶板材、微晶石材、微晶玉石、玻璃陶瓷、结晶化玻璃或人造石材等等。由于其结构极为致密并用作表面装饰材料。因此，又有人将其归为实体面材。与建筑陶瓷及天然石材制品相比，由于微晶玻璃具有特定性能的晶相析出。因而，在机械强度、表面硬度、热膨胀性能、耐酸碱及抗腐蚀等方面具有一些独特的优点。

1.1微晶玻璃的分类

微晶玻璃可按不同的标准分类，从外观看，有透明微晶玻璃和不透明微晶玻璃；按微晶化原理可分为光敏微晶玻璃和热敏微晶玻璃；按照性能分为耐高温、耐热冲击、高强度、耐磨、易机械加工、易化学蚀刻、耐腐蚀、低膨胀、零膨胀、低介电损失、强介电性、强磁性和生物相容等种类；按基础玻璃组成可分为硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐及磷酸盐等五大类；按所用材料则分为技术微晶玻璃和矿渣微晶玻璃两类。

2．微晶玻璃的性质及应用

2.1力学性质

（1）机械强度，微晶玻璃的机械强度比一般玻璃、陶瓷材料以及某些金属材料高很多。抗压强度为0.59~1.02GPa，弯曲强度为88.2~220.5GPa，拉伸强度为49~137.2MPa；特殊的或增强的微晶玻璃，弯曲强度高达411.6~548.5MPa。微

晶玻璃的抗冲击强度为2.94~9.81MPa，是普通玻璃的1~2倍，但仍属于脆性材料。属于高强度的微晶玻璃有Li2O-MgO-Al2O3-SiO2、Li2O-ZnO-Al2O3-SiO2、（BaO,PbO）- Al2O3-SiO2-TiO2系统。当高膨胀系数（90~100）×10-7K-1，25~300℃的微晶玻璃表面被覆上比其膨胀系数小（10~39）×10-7K-1的涂层后，可获得很高的强度。

（2）硬度及耐磨性，微晶玻璃硬度很高，具有突出的耐磨性能，其硬度高于高碳钢、花岗岩，接近淬火工具钢的硬度。维氏硬度5.9~9.3GPa。属于高硬度的微晶玻璃有CaO-Al2O3-SiO2、MgO-BaO-Al2O3-CaO-TiO2-GeO2等系统。

（3）弹性模量，微晶玻璃的弹性模量一般为88~98GPa，泊松比为0.215~0.29。此外，微晶比铝轻，密度值为2.4~2.6g/cm3。

2.2热学性质

（1）热膨胀系数，采用不同组成及热处理制度，可以制得多种膨胀系数[α

值为（－12~200）×10-7K-1]的微晶玻璃。如以β-石英为主晶相的Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃（Li2O少），α值为（－4~4）×10-7K-1，最高使用温度为800~850℃，因为这种玻璃是透明的，所以，可代替透明的石英玻璃。以β-锂辉石为主晶相的Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃（Li2O少），α值为（7~11）×10-7K-1（20~300℃），最高安全使用温度为1170℃，烧至红热态投入水中也不破裂，可用于制烹饪器皿等。

（2）热稳定性，由于微晶玻璃热膨胀系数低，拉伸强度高，所以具有优良的热稳定性。有的可以经受100~150℃的温度剧变而不破坏，也能在温差400℃的条件下使用。

（3）软化温度，由于微晶玻璃中含有大量晶体，所以在晶体的熔化点以下时，其黏度几乎与温度没有关系。当晶体融化后，其黏度显著降低。放在微晶玻璃所含晶体的熔化温度以下时，它有比一般玻璃高得多的使用温度。荷重软化温度为560~1340℃。微晶玻璃在25~40℃时比热容为（7.74~9.2）×102J/（kg·K）。微晶玻璃的导热性比较低，是热绝缘材料，各种微晶玻璃25℃时的热导率为0.796~4.19W/(m·K)。

2.3化学稳定性

微晶玻璃的耐酸耐碱性高于一般玻璃，大致同硼硅酸盐玻璃相当。对王水有非常高的稳定性，仅有轻微的侵蚀。例如，以β-石英为主晶相的微晶玻璃，在90℃时与15％HCl作用，经24h，其侵蚀量为0.04％~0.05％，以β-锂辉石为主晶相的微晶玻璃则为0.02％~0.03％。

2.4光学性质

光敏微晶玻璃具有感光显影性质，可像一般照相胶片一样地进行曝光和显影。

以Au、Ag和Cu等金属为成核剂的玻璃，用镂空图案的铅皮、照相底片等贴在玻璃表面，然后用紫外线照射进行曝光，曝光后的玻璃加热到高于退火温度进行热处理，最终，被紫外线照射部分就微晶化或着色，而没有被照射部分仍然颜色不变或透明的，从而所需的图案就在玻璃中显示出来了。热处理过程也称为显影过程。

2.5电学性质

（1）介电常数，一般玻璃的介电常数为4~20，最高的是40（25℃，1000Hz），以BaTiO3、NaNbO3、PbTiO3为主晶相的强介电性微晶玻璃（BaO/PbO）-TiO2-Al2O3-SiO2,Na2O-Nb2O4-SiO2系统，其介电常数高于100.一般微晶玻璃在高频、高温的条件下也有很高的介电常数（5~10）。温度变化对其影响很小，在25~800℃间，相差仅为0.3％。

在高频温度条件下，微晶玻璃击穿电压也非常高，一般为（2.3~7.1）×107V/cm，无碱微晶玻璃（MgO/BaO）-Al2O3-SiO2,其主晶相为堇青石，有良好电绝缘性，其电阻率为108.6Ω·com。

（2）介电损失系数，高温高频条件下，微晶玻璃介电损失系数甚低，某些微晶玻璃在1010Hz、500℃时为0.01.上述三种强介电性微晶玻璃，25℃时1000Hz 的介电损失系数为0.008~0.025。

2.6微晶玻璃的应用

微晶玻璃具有许多优良的性能，如密度小、质地致密、没有气孔、不透水、不透气、软化温度高、化学稳定性及热稳定性好、机械强度及硬度高、电学性能优良等，因此在许多领域得到广泛的应用。

3．生产工艺及设备介绍

3.1水淬烧结法二步成型生产工艺

3.1.1原料：

生产微晶玻璃常用原料有：石英砂岩、长石、方解石、纯碱、金属氧化物、碳酸钡、硫酸钡、氧化钙、碳酸钾、钛白粉及其它添加剂等。具体要求如下：石英砂岩：要求SiO2含量为97±0.3％，Al2O3含量为1.3±0.1％，Fe2O3＜0.1％。颗粒度要求0.125~0.71mm的占95％以上，小于0.125mm的＜5％，含水率要求不超过4％。方解石：要求CaO含量≥54％，颗粒度要求在12目~80目。长石：要求SiO2含量达70％，Al2O3为15±0.5％，Fe2O3为0.4±0.02％；颗粒度要求28目全通过。纯碱：要求Na2CO3≥98％，NaCl≤0.7％，颗粒度为12目全通过。氧化锌：纯度要求是97％的粉料。氧化钠：为工业纯粉料，颗粒度为40目左右。硫酸钡：为工业纯粉料，颗粒度＜200目。氟化钙：要求纯度＞96％。其它为工业纯粉料等。