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1、第三章第三章 功能玻璃功能玻璃由于原子能、电子工业、计算机、医疗、激光等近代科学技术的发展及国防工业的需要，玻璃材料玻璃材料和其他无机非金属材料一样，发展非常迅速。1功能玻璃功能玻璃是指与传统玻璃传统玻璃结构不同结构不同的、有某一方面独特性能独特性能的、有专门用途专门用途的、或者制造工工艺有明显差别艺有明显差别的一些新品种“玻璃”。2功能玻璃功能玻璃近年来发展迅速，它除了具有普通玻璃的一般性质一般性质以外，还具有许多独特的性独特的性质质，如磁光玻璃的磁磁- -光转换光转换功能、声光玻璃的声光特性声光特性、导电玻璃的导电性导电性、记忆玻璃的记记忆特性忆特性等。3新型功能玻璃材料功能玻璃材料的开发
2、主要依赖于如CVD、PVD、等离子溅射、溶胶凝胶、材料复合等各种高新技术、新工艺在玻璃制造中的巧妙运用。4随着材料制备手段材料制备手段的不断提高和发展，新技术、新工艺的出现，玻璃材料的开发日新月异，具有各种探索性能的玻璃探索性能的玻璃不断的涌现出来。新型功能玻璃新型功能玻璃就是采用高纯原料高纯原料、新型技术新型技术、新的制备方法新的制备方法或在特殊的条件下形成的具有某种特殊功能特殊功能的玻璃或无机非晶态材料。5新型功能玻璃新型功能玻璃与通常玻璃通常玻璃相比具有许多明显的特征，主要表现在以下四个方面： (1)玻璃化玻璃化方面； (2)成型成型方面；(3)在加工加工方面； (4)在用途用途方面。6
3、(1)(1)玻璃化方面玻璃化方面通常玻璃通常玻璃是在大气中进行熔融熔融而制得的，而新型功能玻璃新型功能玻璃是采用超急冷法超急冷法、溶胶溶胶- -凝胶法凝胶法、PVDPVD法法、CVDCVD法法以及特种气氛特种气氛等方法而制得的；7(2)(2)成型方面成型方面通常玻璃通常玻璃主要产品是板材板材、管材管材、成瓶成瓶、成成纤纤等，而新型功能玻璃新型功能玻璃则是微粉末微粉末、薄膜薄膜、纤维纤维状状等； 8(3)(3)在加工方面在加工方面通常玻璃通常玻璃采用烧制烧制、研磨研磨、急冷强化急冷强化等方法，而新型功能玻璃新型功能玻璃则采用结晶化结晶化、离子交换离子交换法法、分子溅射分子溅射、分相分相、微细加工
4、微细加工技术等；9(4)(4) 在用途方面 在用途方面通常玻璃通常玻璃主要用于建筑建筑、容器容器、光学制品光学制品等，而新型功能玻璃新型功能玻璃主要用于光电子光电子、光信息情报光信息情报处理处理、传感显示传感显示、精密机械精密机械以及生物工程生物工程等领域。10新型功能玻璃新型功能玻璃按照玻璃的功能玻璃的功能可划分为：微晶微晶玻璃玻璃、光导纤维光导纤维玻璃玻璃、激光激光玻璃玻璃、光色光色玻玻璃璃、半导体半导体玻璃玻璃、非线性光学非线性光学玻璃玻璃、磁功能磁功能玻璃玻璃、生物生物玻璃玻璃、机械功能机械功能玻璃玻璃以及功能玻璃功能玻璃薄膜薄膜等。11第一节 微晶玻璃第一节 微晶玻璃微晶玻璃是指通过
5、玻璃热处理玻璃热处理来控制晶体的生长发育而获得的一种多晶材料多晶材料。它既有玻璃玻璃的基本性能，也有陶瓷多晶体多晶体的特征。12将加有成核剂成核剂的特定组成的基础玻璃，在一定温度下热处理后，就会变成具有微晶体和微晶体和玻璃相玻璃相均匀分布的复合材料。13特殊性能特殊性能的微晶玻璃材料，如零膨胀零膨胀、高高强度强度、可切削可切削以及不同电性能电性能的材料，可以通过下面两种方法而制得：、控制基质玻璃成分的变化；基质玻璃成分的变化；、控制析出晶相类型及微晶大小。析出晶相类型及微晶大小。14传统的微晶玻璃微晶玻璃为Li2O-Al2O3-SiO2和MgO-Al2O3-SiO2系统，前者在玻璃中形成锂辉石
6、锂辉石、石石英固溶体英固溶体，这些晶体具有负膨胀系数负膨胀系数。通过热处理，控制原始玻璃中的晶相晶相及玻璃玻璃相的比例相的比例，可制成一系列从负到正膨胀系数从负到正膨胀系数的微晶玻璃。15若将晶体尺寸晶体尺寸控制在一定范围内，则可制成透明或半透明透明或半透明材料。组成成分在Li2O-SiO2和Li2O-2SiO2区的微晶，利用晶体与玻璃晶体与玻璃对氢氟酸侵蚀性能侵蚀性能的差别，通过光刻光刻可以制成薄板电子元件。16微晶玻璃微晶玻璃的发现是玻璃材料发展史上的一个新的里程碑，它大大地丰富了玻璃结构的研究内容，同时也开发了数以千计的微晶玻璃新材料。 微晶玻璃微晶玻璃作为先进结构材料先进结构材料和高性
7、能功能材料高性能功能材料，在国防、运输、建筑、生产、科研及生活等领域内得到了广泛应用。17微晶玻璃的分类微晶玻璃的分类从外观外观看，有透明透明微晶玻璃和不透明不透明微晶玻璃； 按微晶化原理微晶化原理分为光敏光敏微晶玻璃和热敏热敏微晶玻璃；按照性能性能分为耐高温、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。18微晶玻璃按照用途用途分为，餐具餐具微晶玻璃、航天航天微晶玻璃、建筑建筑微晶玻璃和生物生物微晶玻璃等。微晶玻璃按基础玻璃组成基础玻璃组成一般可分为硅酸硅酸盐盐系统、铝硅酸盐铝硅酸盐系统、硼硅酸盐硼硅酸盐系统、硼酸硼酸盐
8、盐系统及磷酸盐磷酸盐系统等五大类； 19按所用材料所用材料，微晶玻璃微晶玻璃则分为技术技术微晶玻璃和矿渣矿渣微晶玻璃两类；此外，还可按所含氧化物特点所含氧化物特点等方法分类。20一、微晶玻璃的性质一、微晶玻璃的性质1力学力学性质2热学热学性质3化学稳定化学稳定性4光学光学性质5电学电学性质211 1力学性质力学性质(1)机械强度(2)硬度及耐磨性(3)弹性模量22(1)(1) 机械强度 机械强度 微晶玻璃微晶玻璃的机械强度比一般玻璃一般玻璃、陶瓷陶瓷材料以及某些金属材料金属材料高得多。抗压强度抗压强度为0.59 1.02 GPa，抗弯强度抗弯强度为88.2 220.5 MPa，抗张强度抗张强度
9、为49 137.2 MPa；23特殊特殊的或增强增强的微晶玻璃，抗弯强度抗弯强度高达411.6 548.8 MPa。微晶玻璃的抗冲击强度抗冲击强度为2.94 9.811 MPa，是普通玻璃的 l 2 倍，但仍属于脆性材料脆性材料。24属于高强度的微晶玻璃高强度的微晶玻璃，有以下三种：Li2OMgO-Al2O3-SiO2Li2O-ZnO-Al2O3-SiO2(BaO、PbO)-Al2O3-SiO2-TiO2系统。25当高膨胀系数高膨胀系数(9.0 10-6 10.0 10 6 K-1，25 300 )的微晶玻璃的表面被覆上被覆上比其膨胀系数小(1.0 10 6 3.9 10 6 K -1)的涂层
10、涂层后，可获得很高的强度。26(2)(2) 硬度及耐磨性 硬度及耐磨性 微晶玻璃硬度很高硬度很高，具有突出的耐磨耐磨性能。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 9.3 GPa。27属于高硬度的微晶玻璃高硬度的微晶玻璃有以下三种系统：CaO-Al2O3-SiO2；MgO-BaO-Al2O3；CaO-TiO2-CeO2。 28(3)(3)弹性模量弹性模量 微晶玻璃的弹性模量弹性模量一般为88 98 GPa，泊泊松比松比为0.2150.29。此外，微晶玻璃比铝轻，密度值为2.4 2.6 g cm -3。 292 2热学性质热学性质(1)热膨胀系数； (2)热稳定性；(3)软
11、化温度。30(1)(1) 热膨胀系数 热膨胀系数采用不同组成不同组成及热处理方法热处理方法，可以制得多种膨多种膨胀系数胀系数(膨胀系数值为-1.2 10-6 20.0 10 -6 K-1)的微晶玻璃。31如以石英为主晶相石英为主晶相的Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃，膨胀系数值为-4 l0-7 4 l0 -7 K-1，最高使用温度使用温度为800 850。由于这种微晶玻璃是透明的，所以可代替透明的石英玻璃透明的石英玻璃。32以锂辉石为主晶相锂辉石为主晶相的Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃，膨胀系数值为7 10-7 11 10-7 K-1 ( 25 300)，最高安全使用温度使用温度
12、为1170，烧至红热态投入水中也不破裂，用于制烹饪器皿烹饪器皿等。33(2)(2) 热稳定性 热稳定性 由于微晶玻璃膨胀系数值低膨胀系数值低，抗张强度高抗张强度高，所以具有优良的热稳定性优良的热稳定性。有的可以经受100 150的温度剧变而不破坏，有的还能在温差高温差高达400的条件下使用。34(3)(3)软化温度软化温度由于微晶玻璃微晶玻璃中含有大量晶体大量晶体，所以在晶体熔化点以下时，其粘度粘度几乎与温度温度没有关系。当晶体熔化晶体熔化后，其粘度显著降低粘度显著降低，故在微晶玻璃所含晶体的熔化温度以下时，它有比一般玻一般玻璃璃高得多的使用温度，其负荷软化温度为560 1340。35微晶玻璃
13、在25400时的比热容比热容为7.7410 2 9.2110 2 J( kg K )。微晶玻璃的导热性比较低导热性比较低，是热绝缘热绝缘材料材料。在25时，各种微晶玻璃的热导率热导率为0.796 4.19 w.m-1.K-1363 3化学稳定性化学稳定性微晶玻璃的耐酸耐碱耐酸耐碱性高于一般玻璃，大致同硼硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃相当。对王水有非常高的稳定性，仅有轻微的侵蚀。 37例如:以石英为主晶相石英为主晶相的微晶玻璃，在90时与15 HCl 作用，经24 h，其侵蚀量为0.04 0.05，以锂辉石为主晶相锂辉石为主晶相的微晶玻璃，其侵蚀量则为0.02 0.03。 384 4光学性质光学性质光敏
14、微晶玻璃光敏微晶玻璃具有感光显影感光显影性质，可像一般照片的胶片一样进行曝光和显影。以Au、Ag和Cu等金属为成核剂成核剂的玻璃，可用镂空图案的铅皮、铁片、照相底片等贴在玻璃贴在玻璃表面表面，然后用紫外线照射用紫外线照射进行曝光。39曝光后的玻璃，加热到高于退火温度高于退火温度进行热处理。最终，紫外线照射的部分，被晶化晶化或着色色，而没有被照射部分仍然透明透明或颜色不变颜色不变，因此，所需的图案就在玻璃中显示出来。其中，热处理过程也称为显影过程显影过程。405 5电学性质电学性质(1)介电常数(2)介电损失系数41(1)(1) 介电常数 介电常数一般玻璃一般玻璃的介电常数为420，最高的是40
15、 (25,1000 Hz)。以BaTiO3、NaNbO3、PbTiO3为主晶相的强介电强介电性微晶玻璃性微晶玻璃(BaO(PbO)-TiO2-Al2O3-SiO2，Na2O-Nb2O5-SiO2系统，其介电常数高于100。42一般微晶玻璃在高频高频、高温高温的条件下，也有很高的介电常数介电常数(5 10)。温度变化温度变化对微晶玻璃影响很小，在25 800间，其介电常数仅相差0.3。43在高频、高温条件下，微晶玻璃击穿电压击穿电压也非常高高，一般为2.3 107 7.1 107 Vm。 无碱无碱微晶玻璃 MgO(BaO) Al2O3SiO2，其主晶主晶相相为堇青石堇青石，有良好的电绝缘性，其电
16、阻率为l08.6 . cm。 44堇青石堇青石堇青石(Iolite)属斜方斜方晶系，化学式化学式为Mg2Al4Si5O18 ，硬度硬度为7.5 8，比重比重为2.572.61，折射率折射率为1.542 1.551，断口处呈油脂光泽油脂光泽。附45堇青石的颜色颜色很像蓝宝石，但是，由于常含有水，所以又称为水蓝宝石水蓝宝石。由于堇青石堇青石具有蓝宝石的颜色蓝宝石的颜色及有光泽有光泽且价格价格便宜便宜，因此更被戏称为穷人家的蓝宝石穷人家的蓝宝石。堇青石的能量能量是相当稳定相当稳定的，且不能以加热的方式来改变它的颜色，是一种货真价实的宝石宝石。附46(2)(2) 介电损失系数介电损失系数在高温、高频条件下，微晶玻璃介
