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陶瓷材料的形成1:晶体生长、玻璃形成及玻璃陶瓷
2022年06月23日 发布 分类:粉体入门 点击量:32
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陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点。可用作结构材料、刀具材料,由于陶瓷还具有某些特殊的性能,又可作为功能材料。

晶体生长

晶体是在物相转变的情况下形成的。物相有三种,即气相、液相和固相。只有晶体才是真正的固体。由气相、液相转变成固相时形成晶体,固相之间也可以直接产生转变。

晶体生成的一般过程是先生成晶核,而后再逐渐长大。一般认为晶体从液相或气相中的生长有三个阶段:①介质达到过饱和、过冷却阶段;②成核阶段;③生长阶段。


在某种介质体系中,过饱和、过冷却状态的出现,并不意味着整个体系的同时结晶。体系内各处首先出现瞬时的微细结晶粒子。这时由于温度或浓度的局部变化,外部撞击,或一些杂质粒子的影响,都会导致体系中出现局部过饱和度、过冷却度较高的区域,使结晶粒子的大小达到临界值以上。这种形成结晶微粒子的作用称之为成核作用。

介质体系内的质点同时进入不稳定状态形成新相,称为均匀成核作用。

在体系内的某些局部小区首先形成新相的核,称为不均匀成核作用。

均匀成核是指在一个体系内,各处的成核几率相等,这要克服相当大的表面能位垒,即需要相当大的过冷却度才能成核。

非均匀成核过程是由于体系中已经存在某种不均匀性,例如悬浮的杂质微粒,容器壁上凹凸不平等,它们都有效地降低了表面能成核时的位垒,优先在这些具有不均匀性的地点形成晶核。因之在过冷却度很小时亦能局部地成核。

在单位时间内,单位体积中所形成的核的数目称成核速度。它决定于物质的过饱和度或过冷却度。过饱和度和过冷却度越高,成核速度越大。成核速度还与介质的粘度有关,粘度大会阻碍物质的扩散,降低成核速度. 晶核形成后,将进一步成长。

玻璃形成

扎哈里阿森从结晶化学观点将各种氧化物分成两类:一类能生成玻璃,它们在玻璃结构中是以两个阳离子隔着一个氧离子互相连结,阳离子要长一定的配位数,如B2O5,SiO2,P2O5等,这些化合物称为网络生成体;另一类氧化物在单独或共同存在时仁能生成玻璃,它们只是插入玻璃结构网络中,能改变玻璃性质,如Na2O, BaO等。这类氧化物称网络修饰体。


各类玻璃制品

玻璃生成体必须具备条件:

(1)阳离子的配位数不应当过大,一般是4和3;

(2)任何一个氧离子不能与二个以上的阳离子相结合;

(3)多面体只能用顶角互相连接,不能共边或共面;

(4)一个多面体必须最少有三个顶角与其它多面体相连接

从不同聚集状态的物质向玻璃转变的角度来分类,玻璃的形成方法有:

熔体冷却法

用熔体冷却法制作玻璃态物质,其远程无序结构是用加热熔化的方法获得的。至于能否保持其远程无序结构,取决于熔体达到过冷状态的倾向大小,即取决于熔点以下熔体过冷而不致引起成核和结晶的能力。显然,只有那些过冷程度很大而不析晶的液体才可能成为玻璃。

传统熔体冷却方法是将玻璃原料加热,熔融,澄清,均化,透明均质的熔体,然后在常规条件下冷却面成固态玻璃物质,由于不需要复杂的制冷设备。世界上极大部分玻璃产品都是通过这种方法生产的。

气相沉积法

无机玻璃和金属玻璃主要是通过熔冷却来制取的,但无机玻璃也可以通过气相来制造。例如,可以应用内部气相沉积法制造光通讯用的石英玻璃纤维,将 SiCl4和GeCl4的混合气体通入石英玻璃管内,使它们在气相状态下氧化并分解,形成非晶态SiO2.GeO2后凝聚在玻璃管的内壁。又例如,制造反射望远镜镜头时所使用的TiO2-SiO2系低膨胀玻璃,也是通过气相反应的方法制造的,用火焰将TiCl4-SiCl4的混合气体加热到1800℃左 右,使之氧化并分解,形成的TiO2-SiO2微细粒子粘附到接收台架上,经收集并加热烧结成玻璃。

辐照法

辐照法是利用高速中子束或α粒子束轰击晶体材料表面而使其无定形化的一种方法。其过程为SiO2(晶体)→中子轰击→SiO2(玻璃)。

由于中子或α粒子把很大的能量传递给晶体中的原子,使原子离开它在晶格中的平衡位置进入空隙,或因发生碰撞而形成缺陷,导致晶格中原子间距和化学键角均发生变化,造成向结构远程无序的转化而形成玻璃态。

玻璃陶瓷

玻璃陶瓷,又称微晶玻璃,是经过高温融化、成型、热处理而制成的一类晶相与玻璃相结合的复合材料。具有机械强度高、热膨胀性能可调、耐热冲击、耐化学腐蚀、低介电损耗等优越性能。


玻璃在催化剂或晶核形成剂作用下结晶而成的多晶的新型硅酸盐材料,为晶相和残余玻璃相组成的质地致密、无孔、均匀的混合体。通常晶体的大小可自纳米至微米级,晶体数量可达50%~90%。具有高机械强度,低电导率,高介电常数,良好的机械加工性能,耐化学腐蚀性、热稳定性等。这些性能取决于晶体种类、数量,以及剩余玻璃相的组成和性能,并和晶化条件等密切相关。按成核或晶化处理不同分为光敏和热敏微晶玻璃等。可用于制作电路板,电荷存储管,光电倍增管的屏,导弹弹头,雷达天线罩,轴承,泵、反应堆中子吸收材料,绝缘支柱等。


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