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一文了解玻璃、陶瓷、玻璃陶瓷、透明陶瓷的区别


来源:中国粉体网   山川

[导读]  很长时间以来,玻璃与陶瓷都是作为硅酸盐材料的代表而为人所熟知,它们都属于硅酸盐体系下的材料,既有不同,又不可分割。

中国粉体网讯  很多人不知道,在不管国内还是欧美的高校中,陶瓷和玻璃两个学科是完全联系在一起的,基础课程设置基本一样,两个不同专业的学生坐在同一间教室上课,甚至有时候,陶瓷专业的毕业生进入了玻璃行业,而玻璃专业的毕业生又跑去搞陶瓷了,这也是比较常见的。


很长时间以来,玻璃与陶瓷都是作为硅酸盐材料的代表而为人所熟知,它们都属于硅酸盐体系下的材料,既有不同,又不可分割。


(你分得清哪个是玻璃,透明陶瓷,玻璃陶瓷吗?)


但是,随着工业的快速发展对新材料提出了新的要求,玻璃与陶瓷又有了更丰富的概念。因为现在功能玻璃材料,有很多已经摒弃了传统的硅酸盐或者石英,而是转向氟化物、磷酸盐、硫族化合物、重氧化物等方面;功能陶瓷材料则更是如此,很多与硅酸盐根本就不沾边。


但这并不意味着玻璃和陶瓷渐行渐远,两者之间仍有一些千丝万缕的联系,例如,玻璃陶瓷就是两者的复合材料,它既可以高度晶化,也可含有大量的玻璃相。


而透明陶瓷虽然像玻璃一样透明,但它是一种货真价实的陶瓷。


这四种材料关系很近,但确实有着很明确的区别。如果说,陶瓷和玻璃关系紧密更像一对夫妻,玻璃陶瓷作为两者的结合体就是他俩的孩子,而透明陶瓷却只和陶瓷有关系,充其量算是陶瓷的私生子。


以上只是打个比方形容一下,下面我们从各个方面来对比了解一下这四种材料。


概念


玻璃是一种较为透明的液体物质,在熔融时形成连续网络结构,冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的非金属材料。


陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成型和高温烧结制成的一类非金属材料。



(3D打印陶瓷制品


玻璃陶瓷又称为微晶玻璃,是一种由适当组成的玻璃颗粒经烧结与晶化,制成的由结晶相和玻璃相组成的质地坚硬、密实均匀的复相材料。


透明陶瓷是通过采用高纯超细陶瓷原料,并通过工艺手段排除气孔而获得具有透明性质的陶瓷。


成分及分类


玻璃通常按主要成分分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃,非氧化物玻璃品种和数量很少,主要有硫系玻璃和卤化物玻璃。氧化物玻璃又分为硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。


陶瓷分为普通陶瓷(传统陶瓷)与特种陶瓷(先进陶瓷)两大类。其中,普通陶瓷是指以黏土及其天然矿物为原料,经过粉碎混合、成型、焙烧等工艺过程所制得的各种制品。先进陶瓷按成分可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷等。




玻璃陶瓷按基础玻璃组成可分为硅酸盐,铝硅酸盐,硼酸盐,及磷酸盐玻璃陶瓷。按所用原料分为技术微晶玻璃(用一般的玻璃原料)和矿渣微晶玻璃(用工矿业废渣等为原料);按外观分为透明微晶玻璃和不透明微晶玻璃;按性能又可分为耐高温、耐腐蚀、耐热冲击、高强度、低膨胀、零膨胀、低介电损耗、易机械加工以及易化学蚀刻等微晶玻璃以及压电微晶玻璃、生物微晶玻璃等。按微晶化原理分为光敏微晶玻璃和热敏微晶玻璃。


透明陶瓷按成分可分为氧化铝透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷、氧化镁透明陶瓷、钇铝石榴石透明陶瓷、铝镁酸透明陶瓷、透明铁电陶瓷、氮化铝透明陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷、镁铝尖晶石透明陶瓷等。


微观结构及特性


玻璃是一种非晶体材料,其分子不像晶体那样在空间具有长程有序的排列,而近似于液体那样具有短程有序。玻璃像固体一样保持特定的外形,不像液体那样随重力作用而流动。所以玻璃有以下特性:


1)各向同性


玻璃的分子排列是无规则的,其分子在空间中具有统计上的均匀性。在理想状态下,均质玻璃的物理、化学性质(如折射率、硬度、弹性模量、热膨胀系数、导热率、电导率等)在各方向都是相同的。


2)无固定熔点


因为玻璃是混合物,非晶体,所以无固定熔沸点。玻璃由固体转变为液体是一定温度区域(即软化温度范围)内进行的,它与结晶物质不同,没有固定的熔点。


3)亚稳性


玻璃态物质一般是由熔融体快速冷却而得到,从熔融态向玻璃态转变时,冷却过程中黏度急剧增大,质点来不及做有规则排列而形成晶体,没有释出结晶潜热,因此,玻璃态物质比结晶态物质含有较高的内能,其能量介于熔融态和结晶态之间,属于亚稳状态。从力学观点看,玻璃是一种不稳定的高能状态,比如存在低能量状态转化的趋势,即有析晶倾向,所以,玻璃是一种亚稳态固体材料。


4)渐变性可逆性


玻璃态物质从熔融态到固体状态的过程是渐变的,其物理、化学性质的变化也是连续的和渐变的。这与熔体的结晶过程明显不同,结晶过程必然出现新相,在结晶温度点附近,许多性质会发生突变。而玻璃态物质从熔融状态到固体状态是在较宽温度范围内完成的,随着温度逐渐降低,玻璃熔体黏度逐渐增大,最后形成固态玻璃,但是过程中没有新相形成。相反玻璃加热变为熔体的过程也是渐变的。


陶瓷特性


陶瓷是晶体材料(单晶或多晶),这和玻璃完全不同。


1)力学特性


陶瓷材料是工程材料中刚度最好、硬度最高的材料,其硬度大多在1500HV以上。陶瓷的抗压强度较高,但抗拉强度较低,塑性和韧性很差,但近年来,一些陶瓷增韧技术得到了极大的发展。


2)热特性


陶瓷材料一般具有高的熔点(大多在2000℃以上),且在高温下具有极好的化学稳定性;陶瓷的导热性低于金属材料,陶瓷还是良好的隔热材料。同时陶瓷的线膨胀系数比金属低,当温度发生变化时,陶瓷具有良好的尺寸稳定性。



(先进陶瓷应用于航空发动机)


3)电特性


大多数陶瓷具有良好的电绝缘性,因此大量用于制作各种电压(1kV~110kV)的绝缘器件。铁电陶瓷(钛酸钡BaTiO3)具有较高的介电常数,可用于制作电容器,铁电陶瓷在外电场的作用下,还能改变形状,将电能转换为机械能(具有压电材料的特性),可用作扩音机、电唱机、超声波仪、声纳、医疗用声谱仪等。少数陶瓷还具有半导体的特性,可作整流器。


4)化学特性


陶瓷材料在高温下不易氧化,并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。


5)光学特性


陶瓷材料还有独特的光学性能,可用作固体激光器材料、光导纤维材料、光储存器等,透明陶瓷可用于高压钠灯管等。磁性陶瓷(铁氧体如:MgFe2O4、CuFe2O4、Fe3O4)在录音磁带、唱片、变压器铁芯、大型计算机记忆元件方面的应用有着广泛的前途。


玻璃陶瓷具有玻璃和陶瓷的双重特性,比陶瓷的亮度高,比玻璃韧性强。它不仅可以代替传统材料以获得更好的经济效益和改善工作条件,而且开辟了许多新的应用领域。玻璃陶瓷优异的性能主要体现为以下几点:


1)强度高,机械强度好。


2)具有优良的电学性能,介电损耗率低,电绝缘性质优良。


3)具有良好的热学性能,热膨胀系数低,热振稳定性能好,变形温度高。


4)具有更加稳定的化学性能,抗水合,抗水化能力,抗阳离子交换能力。


5)加工性能好,可与众多材料匹配。


透明陶瓷作为先进陶瓷的分支,除了继承了陶瓷耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度、化学稳定性、低膨胀系数以外,独特的透光性让它增加了诸多应用。


应用


玻璃的种类繁多,应用自然不少。从玻璃的不同应用分类上就能够看出来玻璃的广泛应用。具体有:钢化玻璃、磨砂玻璃、喷砂玻璃、压花玻璃、夹丝玻璃、中空玻璃、夹层玻璃、防弹玻璃、热弯玻璃、玻璃砖、玻璃纸、LED光电玻璃、调光玻璃、节能玻璃等,以及近年来兴起的不反光玻璃、防盗玻璃、隔音玻璃、空调玻璃、智能玻璃、全息玻璃、生物玻璃、天线玻璃、薄纸玻璃、信息玻璃、泡沫玻璃、自清洁玻璃等。


这些玻璃被广泛应用在建筑、日用、艺术、医疗、化学、电子、仪表、核工程等领域。


陶瓷的应用主要体现在先进陶瓷的应用上。具体请看下图:





玻璃陶瓷集中了多种优良性能,如机械强度高、耐磨耐腐蚀、抗氧化性好、电学性质优良、膨胀系数可调、热稳定性好等,现已在日常生活、机械工程、电磁、生物医学、航空航天、军事、光学、建筑等领域获得了广泛应用。


透明陶瓷主要用于照明灯具、激光材料、红外窗口材料、闪烁陶瓷、电光陶瓷、防弹材料。


总结


这四类材料虽然有诸多不同,但在基础理论及生产中都有许多相同之处,并在各自领域扮演着重要角色,并且他们现在都属于无机非金属材料。同时,随着新材料、新技术的进一步发展,玻璃和陶瓷很可能会衍生出新的方向,陶瓷和玻璃的应用范围终会被进一步拓宽。


参考来源:

[1]玻璃发展史及性能介绍.网印工业

[2]吉亚明等.透明陶瓷材料现状与发展.无机材料学报

[3]李湘洲.透明陶瓷的现状与发展趋势.长春理工大学

[4]卢斌.透明陶瓷研究现状及展望.材料导报

[5]一张图认识玻璃陶瓷.中国粉体网


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