中国粉体网讯 5G时代大屏显示设备的普及与应用，对盖板玻璃高强度、耐划伤等性能要求也提出了更高的要求。微晶玻璃因其优异的透光性、高硬度、高强度逐步取代了亚克力等高分子材料应用于电子设备屏幕。
微晶玻璃又称为玻璃陶瓷，其具有优异的性能，如：机械强度高、热膨胀性可调、抗震性好、耐化学腐蚀、低的介电损耗、电绝缘性好等，可用于光学、电学和生物等领域。
来源：重庆鑫景特种玻璃公司
尽管微晶玻璃的各项性能普遍高于传统玻璃，但大部分的微晶玻璃析晶后透明度显著降低，从而使其应用范围大大受限。面对市场对电子屏幕高强度的需求，如何进一步提高微晶玻璃的表面硬度，使其具备高透明度的同时兼具优秀的耐磨损能力，是目前研究的热点。
透光率
微晶玻璃的透光率过低的主要原因是微晶玻璃内部存在晶粒散射，理论上讲，要获得透明微晶玻璃材料，要么减少散射引起的光衰减，要么减少晶粒尺寸。
透明微晶玻璃可能的光散射源
可实际上，很多玻璃在热处理过程中析晶速度较快，很难通过热处理控制其晶体尺寸，此外，热处理过程中析出晶体的折射率只能在较小的范围内进行调节，同时要求析出晶体的组成与残留玻璃相的组成尽可能一致，对于很多主晶相为非单一晶相的微晶玻璃体系而言，显然是难以做到的。
硬度
通过热处理工艺使玻璃中原位析出微纳米晶体，是实现玻璃硬度和耐磨能力提升的重要方法。
常见高硬度透明微晶玻璃体系及提高硬度的途径
目前研究较多的高硬度透明微晶玻璃体系主要有以下几种：
▼常见透明微晶玻璃组成体系及参数
1）LAS体系透明微晶玻璃
添加成核剂TiO2、ZrO2制备而成的LAS系微晶玻璃，其热膨胀系数远低于玻璃，且抗弯强度达到550 MPa，大大提升了微晶玻璃的抗热冲击能力，遗憾的是，厚度较大时，光的散射会使微晶玻璃发朦，呈现半透明状态。张金浩等研究的LAS系微晶玻璃添加的成核剂用SnO2 逐步替代 ZrO2，SnO2过量产生的沉淀物可促进晶粒细化，使得微晶玻璃透明度达到最大值84%，维氏硬度提高到 10.9 GPa。
2）MAS体系透明微晶玻璃
MAS体系微晶玻璃是透明微晶玻璃领域中研究的热点之一，其中以堇青石为主晶相的微晶玻璃因具有优异的力学性能、介电性能较好的化学稳定性而被广泛关注。选择P2O5、ZrO2和SnO2等做晶核剂能显著促进MAS玻璃的结晶，改善玻璃的力学性能，但兼具高力学性能和高透过率(不低于 80%)的堇青石微晶玻璃罕见报道。
3）ZAS系透明微晶玻璃
ZAS系的透明微晶玻璃具备优异的热稳定性、光学及机械性能，可在光纤、传感器、激光器等结构中得到应用。通过熔融法及两步热处理可制备出可见光区透过率为87%的ZAS系的透明微晶玻璃；或者将ZnO取代MgO，这样可提升整体的析晶度，透光率也会增大；2022年易兰林等通过在结晶过程中施加电场的方式来提高透光率及硬度。
4）NCS系透明微晶玻璃
钠钙硅体系的透明微晶玻璃具有高透明度、高析晶度的特点，同时由于其熔制温度相对较低，因而可以通过稀土离子掺杂实现优异的发光性能，可作为激光介质材料在大功率固体激光器、空间太阳能等应用领域。
NCS系透明微晶玻璃的显微硬度虽然可以通过各种掺杂及热处理工艺的优化来提升，但是该体系所析出的主晶相本身显微硬度就低，所以很难获得高硬度的透明微晶玻璃材料。
5）氧氮微晶玻璃
氧氮微晶玻璃最大特点是硬度非常高，在透明装甲中可得到实际应用，但在可见光区的透过率不是太高，呈现灰白色或浅黑色的半透明状。罗志伟等在硅酸盐玻璃中引入氮气，经过热处理制备出Al6O3N4半透明氧氮微晶玻璃。
高硬度透明微晶玻璃应用
透明装甲
透明装甲是位于车（机）身前方或侧方便于人员观测以及防御的重要光学窗口，要求能够抵御单次或多次子弹冲击，且具备较高的光学透明度。传统装甲窗由多层玻璃及聚合物形成，生产成本高且大，不便移动。透明微晶玻璃应用在军事装甲系统中，不仅使打击层有良好的光学透明度，且较高的硬度特性提升了耐磨以及整体子弹钝化等抗冲击能力，使装甲设备在极为苛刻的环境条件下仍具备优良的视野及安全性能。
复合透明装甲结构示意图
移动设备
手机作为日常接触的通信工具，为确保触摸屏的可靠性和精密度以及显示的细腻度，要求盖板玻璃不仅具有高光学透过率，还应具有高耐磨损能力，当前主流手机用盖板多为高铝硅系玻璃。为满足市场个性化定制要求，更薄、更轻、更耐磨的透明微晶玻璃做手机盖板目前有少部分高端电子设备上使用。
来源：华为官网
2022年，华为发布的Mate 50系列手机，搭载了主晶相为硅酸锂的LAS系微晶玻璃盖板玻璃，由于采用复杂工艺对透明微晶玻璃进行强化，大幅提升了屏幕抵抗裂纹扩展的能力。据报道，该盖板微晶玻璃能够承受约320N的重物压力，整机耐摔性能提升10倍。
牙科应用
牙科修复用微晶玻璃因其制备成本低、透明度可调、着色简单、可加工及生物相容性优异而逐渐取代传统金属及陶瓷等材料，成为该领域最具发展潜力的材料之一，其中，二硅酸锂微晶玻璃已形成了系列商业化产品。
(a) 切削前的硅酸锂微晶玻璃；(b) CAD/CAM 切削的硅酸锂微晶玻璃单冠；
(c) CAD/CAM 切削的硅酸锂微晶玻璃二单元桥牙冠
目前，牙科商用化二硅酸锂系列微晶玻璃产品中，最具有成效的是义获嘉伟瓦登特公司(Ivoclar-Vivadent)的IPS系列产品和美国登士柏公司(Dentsply)的 Celtra Degu 产品，两者在国际微晶玻璃义齿材料领域的市场占有率超过 80%。
结语
目前大部分微晶玻璃的透明度与显微硬度依然很难完美兼顾，尽管存在一定数量可被查阅的高硬度透明微晶玻璃相关的研究成果，但也依然不能满足市场需求。其制约原因诸多，高析晶度高透过率微晶玻璃的制备较难，低析晶度又无法保证为微晶玻璃的耐磨性；另外，透明微晶玻璃的制备原料大多使用分析纯或化学纯原料，成本较高。在未来，如何将微晶玻璃做到又透又硬，仍是一个不小的挑战。
来源：
孔勇等人：高硬度透明微晶玻璃的研究进展与应用.陶瓷学报
郑宏伟等人：晶核剂对透明堇青石微晶玻璃析晶与性能的影响.硅酸盐通报
（中国粉体网编辑整理/空青）
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