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      陶瓷材料的形成1:晶體生長、玻璃形成及玻璃陶瓷
      2022年06月23日 發布 分類:粉體入門 點擊量:75
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      陶瓷材料是指用天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料。它具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點。可用作結構材料、刀具材料,由于陶瓷還具有某些特殊的性能,又可作為功能材料。

      晶體生長

      晶體是在物相轉變的情況下形成的。物相有三種,即氣相、液相和固相。只有晶體才是真正的固體。由氣相、液相轉變成固相時形成晶體,固相之間也可以直接產生轉變。

      晶體生成的一般過程是先生成晶核,而后再逐漸長大。一般認為晶體從液相或氣相中的生長有三個階段:①介質達到過飽和、過冷卻階段;②成核階段;③生長階段。

      晶體生長

      在某種介質體系中,過飽和、過冷卻狀態的出現,并不意味著整個體系的同時結晶。體系內各處首先出現瞬時的微細結晶粒子。這時由于溫度或濃度的局部變化,外部撞擊,或一些雜質粒子的影響,都會導致體系中出現局部過飽和度、過冷卻度較高的區域,使結晶粒子的大小達到臨界值以上。這種形成結晶微粒子的作用稱之為成核作用。

      介質體系內的質點同時進入不穩定狀態形成新相,稱為均勻成核作用。

      在體系內的某些局部小區首先形成新相的核,稱為不均勻成核作用。

      均勻成核是指在一個體系內,各處的成核幾率相等,這要克服相當大的表面能位壘,即需要相當大的過冷卻度才能成核。

      非均勻成核過程是由于體系中已經存在某種不均勻性,例如懸浮的雜質微粒,容器壁上凹凸不平等,它們都有效地降低了表面能成核時的位壘,優先在這些具有不均勻性的地點形成晶核。因之在過冷卻度很小時亦能局部地成核。

      在單位時間內,單位體積中所形成的核的數目稱成核速度。它決定于物質的過飽和度或過冷卻度。過飽和度和過冷卻度越高,成核速度越大。成核速度還與介質的粘度有關,粘度大會阻礙物質的擴散,降低成核速度. 晶核形成后,將進一步成長。

      玻璃形成

      扎哈里阿森從結晶化學觀點將各種氧化物分成兩類:一類能生成玻璃,它們在玻璃結構中是以兩個陽離子隔著一個氧離子互相連結,陽離子要長一定的配位數,如B2O5,SiO2,P2O5等,這些化合物稱為網絡生成體;另一類氧化物在單獨或共同存在時仁能生成玻璃,它們只是插入玻璃結構網絡中,能改變玻璃性質,如Na2O, BaO等。這類氧化物稱網絡修飾體。

      玻璃制品

      各類玻璃制品

      玻璃生成體必須具備條件:

      (1)陽離子的配位數不應當過大,一般是4和3;

      (2)任何一個氧離子不能與二個以上的陽離子相結合;

      (3)多面體只能用頂角互相連接,不能共邊或共面;

      (4)一個多面體必須最少有三個頂角與其它多面體相連接

      從不同聚集狀態的物質向玻璃轉變的角度來分類,玻璃的形成方法有:

      熔體冷卻法

      用熔體冷卻法制作玻璃態物質,其遠程無序結構是用加熱熔化的方法獲得的。至于能否保持其遠程無序結構,取決于熔體達到過冷狀態的傾向大小,即取決于熔點以下熔體過冷而不致引起成核和結晶的能力。顯然,只有那些過冷程度很大而不析晶的液體才可能成為玻璃。

      傳統熔體冷卻方法是將玻璃原料加熱,熔融,澄清,均化,透明均質的熔體,然后在常規條件下冷卻面成固態玻璃物質,由于不需要復雜的制冷設備。世界上極大部分玻璃產品都是通過這種方法生產的。

      氣相沉積法

      無機玻璃和金屬玻璃主要是通過熔冷卻來制取的,但無機玻璃也可以通過氣相來制造。例如,可以應用內部氣相沉積法制造光通訊用的石英玻璃纖維,將 SiCl4和GeCl4的混合氣體通入石英玻璃管內,使它們在氣相狀態下氧化并分解,形成非晶態SiO2.GeO2后凝聚在玻璃管的內壁。又例如,制造反射望遠鏡鏡頭時所使用的TiO2-SiO2系低膨脹玻璃,也是通過氣相反應的方法制造的,用火焰將TiCl4-SiCl4的混合氣體加熱到1800℃左 右,使之氧化并分解,形成的TiO2-SiO2微細粒子粘附到接收臺架上,經收集并加熱燒結成玻璃。

      輻照法

      輻照法是利用高速中子束或α粒子束轟擊晶體材料表面而使其無定形化的一種方法。其過程為SiO2(晶體)→中子轟擊→SiO2(玻璃)。

      由于中子或α粒子把很大的能量傳遞給晶體中的原子,使原子離開它在晶格中的平衡位置進入空隙,或因發生碰撞而形成缺陷,導致晶格中原子間距和化學鍵角均發生變化,造成向結構遠程無序的轉化而形成玻璃態。

      玻璃陶瓷

      玻璃陶瓷,又稱微晶玻璃,是經過高溫融化、成型、熱處理而制成的一類晶相與玻璃相結合的復合材料。具有機械強度高、熱膨脹性能可調、耐熱沖擊、耐化學腐蝕、低介電損耗等優越性能。

      玻璃陶瓷

      玻璃在催化劑或晶核形成劑作用下結晶而成的多晶的新型硅酸鹽材料,為晶相和殘余玻璃相組成的質地致密、無孔、均勻的混合體。通常晶體的大小可自納米至微米級,晶體數量可達50%~90%。具有高機械強度,低電導率,高介電常數,良好的機械加工性能,耐化學腐蝕性、熱穩定性等。這些性能取決于晶體種類、數量,以及剩余玻璃相的組成和性能,并和晶化條件等密切相關。按成核或晶化處理不同分為光敏和熱敏微晶玻璃等。可用于制作電路板,電荷存儲管,光電倍增管的屏,導彈彈頭,雷達天線罩,軸承,泵、反應堆中子吸收材料,絕緣支柱等。


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