氧化物陶瓷材料.PDF
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第一章 氧化物陶瓷材料
氧化物陶瓷材料具有优良的强度、硬度、绝缘性、热传导、耐高温、耐氧化、耐腐蚀、耐
磨及高温强度等特性,在严苛的环境条件下具有良好的高温稳定性与力学性能,在材料工业倍
受瞩目。氧化物陶瓷材料主要包括二元氧化物、玻璃陶瓷、钛酸盐陶瓷及羟基磷灰石陶瓷材料。
二元氧化物陶瓷材料主要包括氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化锌及稀土氧化物等,这类陶瓷材
料在作为普通的日用陶瓷及高技术陶瓷方面应用广泛,已有多种论著阐述,在本文中不在赘述。
不同于传统的日用陶瓷材料,高技术氧化物陶瓷材料特殊的电、磁、光、热、声、化学、
生物、压电、热电、电光、声光及磁学等性能,在高性能结构及功能陶瓷方面具有良好的应用
前景,可应用于机械、电子、化工、冶炼、能源、医学、激光、核反应及宇航等领域。玻璃陶
瓷、钛酸盐陶瓷及羟基磷灰石陶瓷作为重要的高技术陶瓷材料,在高技术、新技术领域中的地
位日趋重要。一些国家,特别是日本、美国和西欧国家,包括我国为了加速新技术革命,为新
型产业的发展奠定了物质基础,投入了大量人力、物力和财力研究开发氧化物陶瓷材料,在技
术上有了很大突破,目前这些氧化物陶瓷材料已经广泛应用于高技术工业领域。
1.1 玻璃陶瓷材料
玻璃陶瓷 (glass-ceramic )又称微晶玻璃、微晶陶瓷,由著名的玻璃化学家和发明家 S. D.
[1]
Stookey 于 20 世纪 50 年代中期发明 ,是通过对某些特定组成的基础玻璃,在一定温度下进行
受控核化、晶化而制得的一种含有玻璃体的多晶固相材料。玻璃陶瓷的性能主要是由主晶相来
[2]
决定,主晶相可通过控制成核、晶化以及选择不同的母玻璃组分来实现 。玻璃陶瓷兼具玻璃和
陶瓷的特点,在热学、化学、生物学、光学以及电学性能方面优于金属及聚合物。
组成和显微结构是玻璃陶瓷成分设计的两个主要影响因素,主成分是成核的决定性因素,
对于具有机械和光学性能的玻璃陶瓷来说,显微结构是更为关键的影响因素,与主成分和微晶
相聚集情况有关,不同的热处理制度也会对显微结构产生重要影响。控制玻璃的析晶是形成玻
璃陶瓷的前提条件,成核是控制结晶的决定性因素。母玻璃中晶体形成通常经过两个阶段:(1)
亚显微核形成阶段,(2 )亚显微核的生长,以上两个阶段分别称为成核和晶体生长。成核受两
方面因素影响:(1)选择化学组成适宜的母玻璃,通常添加一定的成核剂;(2 )控制热处理
制度,即加热温度及保温时间。
1.1.1 玻璃陶瓷的制备方法
1
1.1.1.1 熔融法
玻璃陶瓷的制备最早使用的是熔融法,现在仍然广泛使用。此种方法是将各种原料及添加
剂混合均匀,于1400- 1550℃高温下熔融,均化后将玻璃熔体成型,退火后在一定温度下进行核
化和晶化,以获得晶粒细小、均匀且整体析晶的玻璃陶瓷。熔融法的最大特点是可以沿用任何
一种玻璃的成型方法,例如压制、压延、吹制、拉制及浇铸等。与通常的陶瓷成型工艺相比,
此法适合制备形状复杂、尺寸精密的制品,便于机械化、自动化生产,所得玻璃陶瓷制品致密
度高、组成均匀、无气孔。然而,此法的熔制温度高,所得玻璃陶瓷晶相的数量取决于基础玻
璃的整体析晶能力和热处理制度。
1.1.1.2 烧结法
传统的熔融法制备玻璃陶瓷存在一定的局限性,例如玻璃熔制温度高、热处理时间长,而
烧结法能够克服以上缺点。此法是将玻璃熔体水淬、磨细后得到玻璃粉末,筛分分级后将玻璃
粉末制成生坯,再在一定温度下烧结,随炉冷却得到样品。烧结法的特点是基础玻璃的熔融温
度比熔融法低,熔融时间短。由于玻璃粉末具有较高的比表面积,比熔融法所得的玻璃更易析
晶,不必使用核化剂。另外,此法制备玻璃陶瓷无需经过玻璃形成阶段,所以适于极高温熔制
的玻璃以及难以形成玻璃的玻璃陶瓷的制备。目前研究较多的是堇青石、顽辉石和锂铝硅系统
的烧结玻璃陶瓷。
1.1.1.3 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶技术是低温合成材料的一种新工艺,最早
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