玻璃陶瓷有哪些應(yīng)用

玻璃和陶瓷都是我們再熟悉不過的物質(zhì)了，但綜合了兩者優(yōu)點的“玻璃陶瓷”卻不一定為人所知。雖然三者都是無機非金屬材料，但它們在微觀結(jié)構(gòu)上其實有著本質(zhì)的區(qū)別——玻璃是非晶體，陶瓷是晶體（多晶體），玻璃陶瓷則是晶相與玻璃相結(jié)合的復(fù)合材料。
事實上，玻璃陶瓷完全可以采用與玻璃部件相同的工藝制成，不過為了使玻璃材料轉(zhuǎn)變成晶態(tài)的玻璃陶瓷材料，必須對其進行熱處理或脫火。在這個過程中，新晶相會直接從玻璃相中生長出來的，使得玻璃相組成不斷發(fā)生變化，最終得到一種晶相和殘余玻璃相組成的質(zhì)地致密、無孔、均勻的混合體，因此也被稱為微晶玻璃。

玻璃陶瓷（來源：NEXTREMA®）
玻璃陶瓷的最大優(yōu)點是它具有其它材料所不具備的多種特殊的顯微結(jié)構(gòu)，不同的顯微結(jié)構(gòu)可通過控制成核、結(jié)晶以及選擇不同的母玻璃組分來實現(xiàn)，一般情況下它在熱學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、光學(xué)以及電學(xué)性能方面都要優(yōu)于金屬及有機聚合物材料。因此自打1953年問世以來，對玻璃陶瓷的研究就沒有停止過，它也被科學(xué)家譽為是21世紀的新型陶瓷材料。
玻璃陶瓷的應(yīng)用
由于玻璃陶瓷的性能主要是由主晶相決定的，因此不同組成體系的玻璃陶瓷的性能往往各有千秋，比如說硅酸鹽玻璃陶瓷會具有良好的可加工性，可以加工成高精度、復(fù)雜圖案的元件；鋁硅酸鹽玻璃陶瓷具有有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、抗熱沖擊性、化學(xué)穩(wěn)定性及良好的光學(xué)性能；氟硅酸鹽玻璃則具有與金屬類似的可加工性和較高的強度與韌性等等。
多種不同的性能特點，使得各類玻璃陶瓷能夠在對應(yīng)需求的行業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮出獨特的優(yōu)勢，因此被廣泛用于機械制造、光學(xué)、電子與微電子、航天航空、化學(xué)、工業(yè)及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域，以下是它的一些主要應(yīng)用。
01
建筑材料
玻璃陶瓷作為新型綠色裝飾材料，相當具有發(fā)展前景，被廣泛應(yīng)用于大型建筑和知名重點工程，其裝飾效果和理化性能均優(yōu)于玻璃、瓷磚、花崗巖和大理石板材，具有耐酸耐堿性、抗凍性、耐污、無放射性污染、鏡面效果良好等優(yōu)勢。而且由于高的強度，封閉氣孔，低的吸水性和熱導(dǎo)性，質(zhì)輕等特點，玻璃陶瓷還可用作結(jié)構(gòu)材料和熱絕緣材料。
目前最受歡迎的建筑用玻璃陶瓷之一——NeopariésLT的玻璃陶瓷板，其主要晶相為硅灰石，被認為是室內(nèi)和室外應(yīng)用中石材的理想替代品
02
光學(xué)應(yīng)用
由于玻璃陶瓷要實現(xiàn)零孔隙率的難度并不大，因此許多玻璃陶瓷都能表現(xiàn)出很好的透光性，甚至可以是透明的，相當適合用于光學(xué)應(yīng)用。例如基于鋁硅酸鋰（LAS）體系的透明和低熱膨脹的玻璃陶瓷已被用作望遠鏡鏡坯和激光陀螺儀。玻璃陶瓷還可以表現(xiàn)出類似于單晶的光學(xué)特性，同時由于制作成本不高，非常適合制造形狀復(fù)雜的大型物體。
此外，稀土離子摻雜的玻璃陶瓷體系作為發(fā)光材料近些年來一直是研究的熱點。透明玻璃陶瓷有望替代玻璃和單晶在微芯片激光器、光纖放大器和高功率二極管泵浦固態(tài)激光器等光學(xué)領(lǐng)域成為新一代光學(xué)材料。
03
軍事應(yīng)用
在軍事領(lǐng)域，玻璃陶瓷目前已廣泛應(yīng)用于高性能飛機和導(dǎo)彈的頭罩中。對于這些應(yīng)用而言，制作的材料必須滿足以下一系列具有挑戰(zhàn)性的性能要求，才能承受在大氣層中高速飛行所產(chǎn)生的臨界條件，如低熱膨脹系數(shù)、高機械強度、高耐磨性、高導(dǎo)航雷達波透明度。

導(dǎo)彈
這樣的高標準，基本沒有玻璃、金屬或單晶可以同時滿足，但特殊定制的玻璃陶瓷卻可以。還有一個例子就是裝甲車輛或坦克的視窗，它要求視窗的材質(zhì)既要堅固又得高度透明，因此具有高強度、高韌性和高半透明性的玻璃陶瓷能夠用于這些特殊用途也不足為奇了。然而，由于軍事研究的敏感性，很少有關(guān)于軍用微晶玻璃的化學(xué)成份、顯微結(jié)構(gòu)和制備工藝的研究成果被發(fā)表出來。
04
生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
玻璃陶瓷在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用非常多，大名鼎鼎的macor可加工玻璃陶瓷就經(jīng)常被用在醫(yī)療領(lǐng)域中。如人造眼球中的一個陶瓷體，就采用了這種陶瓷材料。在醫(yī)療領(lǐng)域，生物玻璃（如LarryHench發(fā)明的“金標準”生物玻璃45S5）早已投入應(yīng)用。然而，生物玻璃固有的低強度和低韌性會限制其作為承重生物材料的應(yīng)用，而玻璃陶瓷以晶相為強韌相，很好克服了生物玻璃的弱點。而且由于玻璃陶瓷中玻璃相的存在，玻璃陶瓷比一般的燒結(jié)陶瓷具有更好的生物活性和生物相容性，如含有磷灰石和β-硅酸鹽(CaO-SiO2)晶體的A-W玻璃陶瓷(商業(yè)品牌為Cerabone)被認為是迄今為止硬組織修復(fù)中最優(yōu)秀的生物活性玻璃陶瓷。

macor玻璃陶瓷
另有報道稱，具有紅外輻射性能的玻璃陶瓷已在醫(yī)療保健產(chǎn)品中得到應(yīng)用，而載有銀離子并以LiTi2(PO4)3為骨架的磷酸鹽多孔玻璃陶瓷也已在抗菌劑方面得到應(yīng)用。此外，氧化鋯增強的CaO-Al2O3-SiO2系玻璃陶瓷有望成為一種新型的牙科材料。
05
電子業(yè)應(yīng)用
玻璃陶瓷能達到負膨脹、零膨脹直到100×10-7/℃以上的熱膨脹系數(shù)，使其能夠與眾多材料膨脹特性相匹配，用于各種玻璃陶瓷基板，電容器及高頻電路中的薄膜電路和厚膜電路，如MgO-Al2O3-SiO2系堇青石基玻璃陶瓷已應(yīng)用于電子材料和航空領(lǐng)域。用溶膠-凝膠法制取的鐵電玻璃陶瓷介電常數(shù)隨溫度的增加而減少而后再增加，居里點具有明顯彌散特征，在電子、精密部件、航空領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。極性玻璃陶瓷是一種新型的功能材料，含有定向生長的非鐵電體極性晶體具有壓電性能和熱釋電性能，在水聲、超聲等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
玻璃陶瓷基板上的硅芯片封裝
06
廚具應(yīng)用
在廚房用具領(lǐng)域，高韌性（與玻璃相比），高美感和極低的熱膨脹系數(shù)使得玻璃陶瓷成為易總很受歡迎的廚房用具材料，可應(yīng)用在灶臺、炊具和烘烤器具上。20世紀60年代末，康寧公司首次提出了在光滑的白色玻璃陶瓷上烹飪的概念。迄今為止，已有許多不同成分的微晶玻璃被開發(fā)出來用作廚具——其中使用最廣泛的系統(tǒng)是Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)系統(tǒng)，添加了CaO、MgO、ZnO等組分，其主晶相為β-石英固溶體，總體呈負熱膨脹系數(shù)，不僅足夠堅韌，而且還可以承受800-1000℃的反復(fù)快速溫度變化。

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