玻璃陶瓷

玻璃陶瓷，是通过基础玻璃的受控结晶生产的多晶材料。玻璃陶瓷材料与玻璃和陶瓷具有许多特性。玻璃陶瓷具有非晶相和一个或多个结晶相，并且与自发结晶相反，其通过所谓的“受控结晶”来生产，而自发结晶通常是玻璃制造中不希望的。微晶玻璃具有玻璃的制造优势以及陶瓷的特殊性能。当用于密封时，某些玻璃陶瓷不需要钎焊，但可以承受高达700°C的钎焊温度。微晶玻璃通常具有30％[m / m]至90％[m / m]的结晶度，并产生一系列具有令人感兴趣的特性的材料，例如零孔隙率、高强度、韧性、半透明或不透明、色素沉着、乳光、低或甚至负热膨胀、高温稳定性、荧光、可加工性、铁磁性、可吸收性或高化学耐久性、生物相容性、生物活性、离子电导率、超导性、隔离能力、低介电常数和损耗、高电阻率和击穿电压。这些性能可以通过控制基础玻璃的组成和控制基础玻璃的热处理/结晶来定制。在制造中，微晶玻璃具有陶瓷的强度，但具有玻璃的气密性。

玻璃陶瓷主要分两个步骤生产：首先，玻璃是通过玻璃制造过程形成的。将玻璃冷却，然后在第二步中重新加热。在这种热处理中，玻璃部分结晶。在大多数情况下，将成核剂添加到玻璃陶瓷的基础组合物中。这些成核剂有助于并控制结晶过程。由于通常不进行压制和烧结，因此与烧结陶瓷不同，玻璃陶瓷没有孔。

存在各种各样的玻璃陶瓷系统，例如Li ₂ O×Al ₂ O ₃ × n SiO ₂系统（LAS系统）、MgO×Al ₂ O ₃ × n SiO ₂系统（MAS系统）、ZnO ×Al ₂ O ₃ × n SiO ₂系统（ZAS系统）。

设计玻璃陶瓷材料的关键是控制基础玻璃中晶体的成核和生长。结晶度将取决于存在的核数量以及材料加热的时间和温度而变化。重要的是要了解材料中发生的成核类型，无论是均质的还是异质的。

均相成核是玻璃材料固有的热力学不稳定性所导致的过程。当向系统施加足够的热能时，亚稳玻璃态相开始返回能量较低的结晶态。此处使用“均质”一词是因为核的形成来自基础玻璃，而没有任何第二相或表面促进其形成。

异相成核是将第二相或“成核剂”引入系统时使用的术语。第二相或表面的存在可以作为成核的催化剂，如果在核和基质之间存在外延，则特别有效。

由于微晶玻璃与人体组织的独特相互作用或缺乏相互作用，它们被用于医疗应用。通常根据生物相容性将生物陶瓷分为以下几类：生物钝性（生物惰性）、生物活性或可吸收陶瓷。

顾名思义，生物无源（生物惰性）陶瓷的特征是材料与周围生物组织之间的相互作用有限。从历史上看，这些是“xxx代”生物材料，用于替代缺失或损坏的组织。使用惰性生物材料导致的一个问题是人体对异物的反应；已经发现会发生一种称为“纤维包囊”的现象，其中组织将在植入物周围生长，以试图将物体与身体其余部分隔离开。这偶尔会引起各种问题，例如坏死或植入物隔离。两种常用的生物惰性材料是氧化铝（Al2O3）和氧化锆（ZrO2）。

生物活性材料具有与天然组织形成键和界面的能力。就骨植入物而言，被称为骨传导和骨诱导的两个特性在植入物的成功和寿命中起着重要作用。骨传导是指材料允许骨骼在表面生长并进入材料的孔和通道的能力。骨诱导是一个术语，当一种材料刺激现有细胞增殖，从而导致新骨骼独立于植入物生长时使用。通常，材料的生物活性是化学反应的结果，通常是植入材料的溶解。磷酸钙陶瓷和生物活性玻璃通常被用作生物活性材料，因为它们在引入活体组织时会表现出这种溶解行为。与这些材料有关的一个工程目标是使植入物的溶解速率与新组织的生长速率紧密匹配，从而导致动态平衡。

可吸收陶瓷与生物活性陶瓷在与人体的相互作用方面相似，但主要区别在于溶解发生的程度。可吸收陶瓷的目的是要逐渐完全溶解，而新纸巾会逐渐生长。这些材料的结构已经变得非常复杂，引入了泡沫状支架，以xxx程度地增加植入物与人体组织之间的界面面积。对于生物活性/可吸收植入物，使用高度多孔的材料会引起一个问题，即机械强度低，尤其是在腿骨等承重区域。磷酸三钙（TCP）是一种成功的可吸收材料，但在高应力区域使用时，其机械强度也不足。

商业上最重要的系统是Li ₂ O×Al ₂ O ₃ × n SiO ₂系统（LAS系统）。的LAS系统主要是指的混合锂、硅和铝 的氧化物与另外的组件，例如，玻璃相形成剂如Na ₂ O，K ₂ O和CaO和澄清剂。作为成核剂，最通常使用氧化锆（IV）与氧化钛（IV）的组合。Hummel和Smoke首先对这一重要系统进行了深入研究。

结晶后，这种类型的玻璃陶瓷中的主要晶相是高石英固溶体（HQ ss）。如果对玻璃陶瓷进行更强的热处理，则该HQ ss转变为辉石固溶体（K ss，有时错误地称为β-锂辉石）。这种转变是不可逆的和可重构的，这意味着晶格中的键被打破并重新排列。但是，这两个晶相显示出与Li可能显示的非常相似的结构。

这些玻璃陶瓷的有趣特性是其热机械耐久性。LAS系统的玻璃陶瓷是一种机械强度高的材料，可以承受高达800–1000°C的反复且快速的温度变化。LAS玻璃陶瓷的主要结晶相HQ ss具有很强的负热膨胀系数（CTE）仍为负碳酸盐岩固溶体，但远高于HQ ss。晶相的这些负CTE与残余玻璃的正CTE形成对比。调整这些相的比例可在完成的复合材料中提供各种可能的CTE。通常对于当今的应用，期望低甚至零的CTE。负CTE也是可能的，这意味着与大多数材料在加热时相反，这种玻璃陶瓷收缩。在某一点上，通常在60％[m / m]和80％[m / m]的结晶度之间，这两个系数保持平衡，以使玻璃陶瓷整体的热膨胀系数非常接近零。同样，当材料之间的界面会遭受热疲劳时，可以调整玻璃陶瓷以匹配将要结合的材料的系数。

最初开发用于天文望远镜的镜子和镜架的LAS玻璃陶瓷已广为人知，并通过将其用于玻璃陶瓷灶台，炊具和烤盘或用作数字投影仪的高性能反射器进入国内市场。

玻璃陶瓷的一种特别值得注意的用途是在陶瓷基复合材料的加工中。对于许多陶瓷基复合材料，不能使用典型的烧结温度和时间，因为随着温度和烧结时间的增加，构成纤维的降解和腐蚀成为一个更大的问题。SiC纤维就是其中的一个例子，它可以在高于1470K的温度下通过热解而开始降解。一种解决方案是使用陶瓷的玻璃状而不是陶瓷作为烧结原料，因为与陶瓷不同，玻璃粒料具有软化点，并且通常在低得多的压力和温度下流动。这允许使用较少的极端加工参数，从而可以通过烧结生产许多新的技术上重要的纤维基质组合。

LAS系统的玻璃陶瓷是一种机械强度高的材料，可以承受反复快速的温度变化。但是，这并非完全牢不可破。由于它仍然像玻璃和陶瓷一样易碎，因此可能会破裂。在某些情况下，当用户用坚硬或钝的物体（例如从上面掉下来的罐头或其他重物掉落）撞击表面时，用户会报告灶台损坏。

该材料的导热系数非常低，这意味着它在烹饪区域外保持凉爽。对于红外波长的辐射，它可以做成几乎透明的（在典型的灶台中损失15-20％）。

在可见范围内，玻璃陶瓷可以是透明的、半透明的或不透明的，甚至可以被着色剂着色。

如今，有两种主要类型的带有玻璃陶瓷炉灶的电炉：

• 玻璃陶瓷炉使用辐射加热线圈或红外卤素灯作为加热元件。燃烧器上方的玻璃陶瓷灶台表面会变热，但由于材料的导热系数低，相邻的表面仍保持冷态。
• 一感应炉来加热金属直接通过罐的底部电磁感应。

这项技术并不是全新的，因为玻璃陶瓷系列是在1970年代首次使用Corningware桌面而不是如今使用的更耐用的材料推出的。这些xxx代平顶锅是有问题的，并且只能与平底炊具一起使用，因为加热主要是传导性的，而不是辐射性的。

与传统的厨房炉灶相比，玻璃陶瓷灶台由于其平坦的表面而相对易于清洁。但是，玻璃陶瓷灶台很容易被刮擦，因此必须注意不要将烹饪锅滑到表面上。如果含糖量高的食物（例如果酱）溢出，切勿使其在表面干燥，否则会造成损坏。

为了获得最佳效果和xxx程度的热传递，所有炊具应平底，并与燃烧器区域匹配大小。

一些知名品牌的玻璃陶瓷为耐高温陶瓷、微晶玻璃、玻璃陶瓷、科迪和康尔。 日本电气玻璃是全球主要的玻璃陶瓷制造商，其在该领域的相关产品包括分别用于建筑和高温应用的FireLite和NeoCeram陶瓷玻璃。Veeraltech Saint-Gobain制造的Keralite是一种特种玻璃陶瓷，具有防火和冲击安全等级，可用于防火应用。在苏联/俄罗斯制造的玻璃陶瓷被称为Sitall。

Visions和CorningWare玻璃陶瓷炊具中也使用了同一类材料，从而可以将其从冷冻室直接拿到炉灶或烤箱中，而不会受到热冲击的危险。