一種新型無機非金屬材料:玻璃陶瓷

提起玻璃與陶瓷，大家應該都不陌生，但市面上還存在一種新型的無機非金屬材料——玻璃陶瓷。三者的區別在於雖同屬無機非金屬材料類目（或者說是矽酸鹽材料），但從微觀結構上看：玻璃為非晶體、陶瓷是晶體（多晶體）、玻璃陶瓷則是晶相與玻璃相結合的複合材料。甚至當今多數功能玻璃材料早已摒棄了傳統的矽酸鹽或石英，轉向氟化物、磷酸鹽、硫族化合物、重氧化物等方向，許多功能陶瓷材料也與矽酸鹽不沾邊。玻璃陶瓷作為一種經過高溫融化、成型、熱處理而製成的一類晶相與玻璃相的複合材料，一般都是由玻璃再加工製成的，又稱微晶玻璃，同時兼容玻璃和陶瓷的性能，具有機械強度高、熱膨脹係數可調、耐熱衝擊、耐化學腐蝕、低介電損耗、低導電率等優越性能，市場應用空間非常廣泛。

玻璃陶瓷是通過控制玻璃體析晶從而獲得的多晶陶瓷材料，兼有玻璃和陶瓷的優點，在熱學、化學、生物學、光學以及電學性能等方面通常優於金屬及其有機聚合物材料。玻璃陶瓷是著名的玻璃化學家和發明家S.D.Stookey在20世紀50年代中期首先製得的，但直到20世紀70年代的時候玻璃陶瓷的研究才有進一步的發展，如今被許多專家譽為21世紀的新型陶瓷材料。

一、玻璃陶瓷的分類

二、玻璃陶瓷的製備工藝流程

製備玻璃陶瓷的最基本的步驟就是玻璃的製備，需先將配料進行混合加工，經過高溫精煉均化，獲得高質量的玻璃後再在低溫環境下進行核化和晶化。

目前已知的製備方法有以下幾種（包含但不僅限於此）：

1、壓延法

該法主要適用於面積較大的製品，基本步驟包括兩項：

（1）採用普通玻璃的成型工藝製備玻璃製品。

（2）將玻璃製品經過進一步熱處理，使其核化、晶化，從而轉變成玻璃陶瓷，這一步的製備工藝決定最終成品性能的優劣。

圖1.壓延法製備流程（製圖：CERADIR）

優點：產品緻密度高，無氣孔，抗折強度大，製造工藝連續，可全線自動化生產。

缺點：析晶難以控制，整體析晶時間長，成品率低，成本高。

2、燒結法

該法是通過玻璃粉的燒結來製備玻璃陶瓷，利用玻璃粉末粒子表面的成核作用，把玻璃研磨成粉末再成型，最後進行熱處理使粉末結晶、燒結固化。

圖2.燒結法製備流程（製圖：CERADIR）

優點：熔制時間短、溫度低、熱處理工藝簡單，可利用陶瓷廠的普通設備、無需使用晶核劑，附加成本低、投資少。

缺點：氣孔率大

3、溶膠-凝膠法

圖3.溶膠-凝膠法製備流程（製圖：CERAD

優點：其製備低溫遠低於傳統方法，同時可以避免一些組分揮發，減少汙染。其組成完全可以按照傳統配方和化學計量準確獲得。

缺點：凝膠在燒結過程中有很大的收縮，易變形。

4、澆鑄法

圖4.澆鑄法製備流程（製圖：CERADIR）

優點：可澆鑄成異形性，對生產一些異形板有很大優勢，產品緻密度高，無氣孔，抗壓強度大。

缺點：對模具質量要求高，模具損耗大，生產成本高。

三、玻璃陶瓷的應用

玻璃陶瓷具有的良好的抗熱震性、光學性能、熱膨脹可調節性、耐腐蝕性和化學穩定性，以及高硬度、高強度、低介電損耗、高機械可加工性等優越的性能特點，這使玻璃陶瓷能夠在對應需求的行業領域發揮優勢。下面介紹幾種實際應用案例：

1、生物醫學上：Liko可鑄玻璃陶瓷修復體的臨床應用

資料顯示，1989年初第四軍醫大學口腔醫學院同西北輕工業學院聯合進行了可鑄玻璃陶瓷的基礎和臨床應用研究，經大量試驗後最後成功研製出新型片層狀四矽氟雲母晶體的玻璃陶瓷，並取名Liko。Liko可鑄玻璃陶瓷材料的理化性能及工藝特點十分符合口腔修復材料的要求，同時該材料無毒、無細胞突變性，又適合用來製作嵌體、全冠、樁冠和瓷罩，因此可以作為一種良好的口腔修復材料。1990年下半年Liko可鑄玻璃陶瓷經過生物學實驗檢驗和修復體邊緣適合性測試後開始應用於臨床。

可鑄玻璃陶瓷具有玻璃的透明性，硬度、透明度和光折射率又與牙釉質十分接近，添加少量螢光劑後製成的修復體自然逼真，在視覺美學效果上是目前最好的一種口腔修復材料。

2、電子工業上：玻璃陶瓷可作為電器元件特殊的基片材料

玻璃陶瓷是在稀有金屬氧化物作為核助劑的作用下，以純淨的玻璃或玻璃渣成核並結晶而形成的材料，俗稱LAS材料。與其它常用的陶瓷基片（例如氧化鋁陶瓷基片）剛好相反的是，玻璃陶瓷基片呈現出的良好的熱力學性能，致使產品就算使用溫度高達400℃以上，仍舊保持很低的電阻率和功率消耗。目前已實現工業化批量生產LAS類玻璃陶瓷材料的有日本NEC（Nippon Electric Company）公司，分別為NEOCERAM 0和NEOCERAM 11兩種玻璃陶瓷材料，試驗表明，它們是製作厚膜電器元件中作為絲網印刷的最佳基片材料。同時該公司試驗時還完成和研製了八種塗覆於基片上的絲網印刷軟膏（俗稱焊膏）。這樣就積累了焊膏與基片之間粘附力及化學成分兼容性方面經驗的積累，同時還完成了所有試驗樣品的燒結。試驗結果表明，藉助於厚膜電器元件的製造技術，利用商業絲網印刷軟膏和採用NEOCERAM玻璃陶瓷材料製作的基片能夠製造出高能量密度的厚膜電器元件。

3、光學領域上：天文望遠鏡鏡片

透明的玻璃陶瓷通常沒有氣孔，並且含有一定的玻璃相，具有良好的透明性。以β·石英為主晶相的LOA2O3·SiO2系統微晶玻璃陶瓷具有接近零膨脹的特性，這類材料通常被用作天文望遠鏡的鏡片製作。位於美國德克薩斯州的麥克唐納天文臺的霍比-埃伯利望遠鏡，口徑為9.2米，是為光譜研究而設計的固定機架球面望遠鏡，其中主鏡為11米×12米的八邊形球面，等效口徑9.2米，焦距13.08米，集光面積77.6平方米，由91塊八邊形的子鏡面拼接而成，每個子鏡面直徑1米，厚5釐米，用零膨脹微晶陶瓷玻璃製成。

圖5.霍比-埃伯利望遠鏡via網絡

除以上應用以外，玻璃陶瓷具有的高強度、高硬度、極強的耐腐蝕性和極低的熱膨脹係數可以在航空航天及軍事領域上用來製作對空飛彈彈頭和雷達外罩；優良的介電性和絕緣性能在電瓷微波領域中被運用在微波爐面板製作上，也推進了耐高溫玻璃陶瓷、生物玻璃陶瓷、透紅外玻璃陶瓷、鐵電玻璃陶瓷等材料的運用發展。相信隨著玻璃陶瓷製作工藝的進一步發展，其應用領域將會更廣泛。