一种新型无机非金属材料：玻璃陶瓷

提起玻璃与陶瓷，大家应该都不陌生，但市面上还存在一种新型的无机非金属材料——玻璃陶瓷。三者的区别在于虽同属无机非金属材料类目（或者说是硅酸盐材料），但从微观结构上看：玻璃为非晶体、陶瓷是晶体（多晶体）、玻璃陶瓷则是晶相与玻璃相结合的复合材料。甚至当今多数功能玻璃材料早已摒弃了传统的硅酸盐或石英，转向氟化物、磷酸盐、硫族化合物、重氧化物等方向，许多功能陶瓷材料也与硅酸盐不沾边。玻璃陶瓷作为一种经过高温融化、成型、热处理而制成的一类晶相与玻璃相的复合材料，一般都是由玻璃再加工制成的，又称微晶玻璃，同时兼容玻璃和陶瓷的性能，具有机械强度高、热膨胀系数可调、耐热冲击、耐化学腐蚀、低介电损耗、低导电率等优越性能，市场应用空间非常广泛。

玻璃陶瓷是通过控制玻璃体析晶从而获得的多晶陶瓷材料，兼有玻璃和陶瓷的优点，在热学、化学、生物学、光学以及电学性能等方面通常优于金属及其有机聚合物材料。玻璃陶瓷是著名的玻璃化学家和发明家S.D.Stookey在20世纪50年代中期首先制得的，但直到20世纪70年代的时候玻璃陶瓷的研究才有进一步的发展，如今被许多专家誉为21世纪的新型陶瓷材料。

一、玻璃陶瓷的分类

二、玻璃陶瓷的制备工艺流程

制备玻璃陶瓷的最基本的步骤就是玻璃的制备，需先将配料进行混合加工，经过高温精炼均化，获得高质量的玻璃后再在低温环境下进行核化和晶化。

目前已知的制备方法有以下几种（包含但不仅限于此）：

1、压延法

该法主要适用于面积较大的制品，基本步骤包括两项：

（1）采用普通玻璃的成型工艺制备玻璃制品。

（2）将玻璃制品经过进一步热处理，使其核化、晶化，从而转变成玻璃陶瓷，这一步的制备工艺决定最终成品性能的优劣。

图1.压延法制备流程（制图：CERADIR）

优点：产品致密度高，无气孔，抗折强度大，制造工艺连续，可全线自动化生产。

缺点：析晶难以控制，整体析晶时间长，成品率低，成本高。

2、烧结法

该法是通过玻璃粉的烧结来制备玻璃陶瓷，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，最后进行热处理使粉末结晶、烧结固化。

图2.烧结法制备流程（制图：CERADIR）

优点：熔制时间短、温度低、热处理工艺简单，可利用陶瓷厂的普通设备、无需使用晶核剂，附加成本低、投资少。

缺点：气孔率大

3、溶胶-凝胶法

图3.溶胶-凝胶法制备流程（制图：CERADIR）

优点：其制备低温远低于传统方法，同时可以避免一些组分挥发，减少污染。其组成完全可以按照传统配方和化学计量准确获得。

缺点：凝胶在烧结过程中有很大的收缩，易变形。

4、浇铸法

图4.浇铸法制备流程（制图：CERADIR）

优点：可浇铸成异形性，对生产一些异形板有很大优势，产品致密度高，无气孔，抗压强度大。

缺点：对模具质量要求高，模具损耗大，生产成本高。

三、玻璃陶瓷的应用

玻璃陶瓷具有的良好的抗热震性、光学性能、热膨胀可调节性、耐腐蚀性和化学稳定性，以及高硬度、高强度、低介电损耗、高机械可加工性等优越的性能特点，这使玻璃陶瓷能够在对应需求的行业领域发挥优势。下面介绍几种实际应用案例：

1、生物医学上：Liko可铸玻璃陶瓷修复体的临床应用

资料显示，1989年初口腔医学院同西北轻工业学院联合进行了可铸玻璃陶瓷的基础和临床应用研究，经大量试验后最后成功研制出新型片层状四硅氟云母晶体的玻璃陶瓷，并取名Liko。Liko可铸玻璃陶瓷材料的理化性能及工艺特点十分符合口腔修复材料的要求，同时该材料无毒、无细胞突变性，又适合用来制作嵌体、全冠、桩冠和瓷罩，因此可以作为一种良好的口腔修复材料。1990年下半年Liko可铸玻璃陶瓷经过生物学实验检验和修复体边缘适合性测试后开始应用于临床。

可铸玻璃陶瓷具有玻璃的透明性，硬度、透明度和光折射率又与牙釉质十分接近，添加少量荧光剂后制成的修复体自然逼真，在视觉美学效果上是目前最好的一种口腔修复材料。

2、电子工业上：玻璃陶瓷可作为电器元件特殊的基片材料

玻璃陶瓷是在稀有金属氧化物作为核助剂的作用下，以纯净的玻璃或玻璃渣成核并结晶而形成的材料，俗称LAS材料。与其它常用的陶瓷基片（例如氧化铝陶瓷基片）刚好相反的是，玻璃陶瓷基片呈现出的良好的热力学性能，致使产品就算使用温度高达400℃以上，仍旧保持很低的电阻率和功率消耗。目前已实现工业化批量生产LAS类玻璃陶瓷材料的有日本NEC（Nippon Electric Company）公司，分别为NEOCERAM 0和NEOCERAM 11两种玻璃陶瓷材料，试验表明，它们是制作厚膜电器元件中作为丝网印刷的最佳基片材料。同时该公司试验时还完成和研制了八种涂覆于基片上的丝网印刷软膏（俗称焊膏）。这样就积累了焊膏与基片之间粘附力及化学成分兼容性方面经验的积累，同时还完成了所有试验样品的烧结。试验结果表明，借助于厚膜电器元件的制造技术，利用商业丝网印刷软膏和采用NEOCERAM玻璃陶瓷材料制作的基片能够制造出高能量密度的厚膜电器元件。

3、光学领域上：天文望远镜镜片

透明的玻璃陶瓷通常没有气孔，并且含有一定的玻璃相，具有良好的透明性。以β·石英为主晶相的LOA2O3·SiO2系统微晶玻璃陶瓷具有接近零膨胀的特性，这类材料通常被用作天文望远镜的镜片制作。位于美国得克萨斯州的麦克唐纳天文台的霍比-埃伯利望远镜，口径为9.2米，是为光谱研究而设计的固定机架球面望远镜，其中主镜为11米×12米的八边形球面，等效口径9.2米，焦距13.08米，集光面积77.6平方米，由91块八边形的子镜面拼接而成，每个子镜面直径1米，厚5厘米，用零膨胀微晶陶瓷玻璃制成。

图5.霍比-埃伯利望远镜via网络

除以上应用以外，玻璃陶瓷具有的高强度、高硬度、极强的耐腐蚀性和极低的热膨胀系数可以在航空航天及军事领域上用来制作对空导弹弹头和雷达外罩；优良的介电性和绝缘性能在电瓷微波领域中被运用在微波炉面板制作上，也推进了耐高温玻璃陶瓷、生物玻璃陶瓷、透红外玻璃陶瓷、铁电玻璃陶瓷等材料的运用发展。相信随着玻璃陶瓷制作工艺的进一步发展，其应用领域将会更广泛。