一类新型β-石英透明微晶玻璃,具有良好的抗热炸裂和耐火性能,遇到火灾时在一定的耐火时间内不会炸裂,从而可以隔断火焰和烟气,有效地解决了玻璃透明性、强度及耐火性能关键技术难题,将高强、防火等特性集中于单片玻璃上,从而获得性能优异的新型多功能玻璃材料。
与常用的普通钠钙硅酸盐玻璃相比,该产品具有很低的热膨胀系数(接近于零),很高的耐热冲击性能,能抵抗800℃的高温而不软化,因而耐热性能很好,可作为单片防火玻璃或耐热玻璃使用。随着现代社会的发展和人民生活水平的提高,对建筑玻璃的耐热防火性能有了更高的要求,在高层、高档及特殊建筑物使用安全玻璃产品的条件已基本具备。当作为单片玻璃使用时,主要作为高强防火玻璃大量应用于幕墙、防火隔断、防火门窗等建筑部位。 5.2在电子工业中的应用
5.2.1液晶显示器:Li2O-Al2O3-SiO2系透明微晶玻璃常用于生产液晶显示器,尤其是在笔记本电脑上用作多晶硅薄膜晶体管的彩色过滤器。日本Nippon Electric Glass公司生产了该用途的微晶玻璃,其产品名为NeoceramTMN-0,其主晶相为β-石英固溶体,晶粒大小约为0.1μm。该微晶玻璃晶粒的直径比可见光波长小,而且晶体颗粒是圆形的。如下图中扫描电镜所示。此外,晶体的折射率和母体玻璃十分接近,因此该微晶玻璃具有较好的透明性。而NeoceramN-11的主晶相为β-锂辉石,其晶粒大小为微米级。关于N-0和N-11的微观结构如图6-7所示。
NeoceramTMN-0系列微晶玻璃采用两步法制备,首先,通过压延、拉制或压制法将熔制后的母体玻璃制成小的板材。随后将其进行退火冷却,当玻璃板冷却到室温时,将其重新加热,在这一晶化过程中有β-锂辉石固溶体开始析出,晶化完毕后再将微晶玻璃重新退火、冷却到室温。最后得到的微晶玻璃尺寸为(320±0.2)mm(长)、(350±0.2)mm(宽)、(1.1±0.05)mm(厚)。以下是该微晶玻璃其他性能。平行度:最大允许0.02μm;垂直度:最大为0.17mm/100mm;表面粗糙度:Ra=10nm。
5.2.2集成电路基板:目前,作为多层布线基板,一般以氧化铝基板为主。但存在着多层化的可靠性低,介电常数和烧成温度高等问题。采用微晶玻璃制造的低温烧成电路基板很好地解决氧化铝基板所存在的问题。目前,以微晶玻璃制成的低温烧成基板主要有两种。
一种是经改性的堇青石微晶玻璃基板,其工艺方法是先制备堇青石母体玻璃,经粉碎后,按陶瓷够工艺进行成形,烧成,其烧成温度为900~1000℃。
另一种方法是用低熔点玻璃和氧化铝粉混合,经成形烧结,在基体中析出α-堇青石或β-锂辉石,且相对介电常数低(5~9),在900℃左右就可烧成,用坯片法可提高高密度多层化的可靠性。
随着大规模、超大规模集成电路的迅速发展,多层布线的微晶玻璃基板必将得到广泛使用。目前,在制备复合电路基板时主要采用的低温共烧陶瓷(LTCC,即Low Temperature Co-fired Ceramics)技术。LTCC是一种多层陶瓷制备工艺,通过添加微晶玻璃材料能在低于1000℃时烧成,但是传统的氧化铝陶瓷的烧成温度超过1500℃。由于这个低温共烧特性,它能选用对温度耐久性较差的导电材料作为内部集成电路,例如Ag或Cu。
5.2.3 电容器:有一种含铁电晶相并具有高电容率的特殊微晶玻璃。虽然用普通的生产工艺就可以制出高电容率的陶瓷,但是使用微晶玻璃工艺有一定的优点。一个主要的优点是微晶玻璃组成还是呈玻璃态时,可连续拉制成很薄的薄膜,但
是要把通常的陶瓷制成很薄的板是极端困难的。因此,用微晶玻璃制成单位体积具有高电容的介电层要比普通陶瓷实现。
制造微晶玻璃电容器的方法是把薄的玻璃片和一个导电金属片叠合起来,把这个组合件加热使玻璃软化,并把玻璃片的边棱熔合为一体,然后把这个组合件热处理,使铁电化合物析晶。这类合适的微晶玻璃具有比较低的介电损耗、高介电击穿强度以及良好的绝缘性能。 5.3在生物医学领域中的应用
在新型生物医学材料的研制中,除了金属、陶瓷和有机高分子材料以外,由于生物微晶玻璃具有良好的生物相容性、生物活性和可加工性,已引起了各国学者的极大兴趣,研究工作显得十分活跃。近十多年来生物微晶玻璃的研究无论是在材料的制备,还是在基础理论研究、临床试验和应用方面都取得了重大的进展。当前人们关注的是那些能同时满足外科手术中对生物学和力学性能的要求的“新型生物活性材料”。
在骨科等置换手术中,传统的替代材料为钛合金、不锈钢和高分子材料,这些材料与人体组织亲和性差。如果长期植入人体内,会从金属材料中溶出金属离子,而从高分子材料中溶出制造时残留的未反应单体,对人体组织有一定的危害性。对此,烧结刚玉在一定程度上有所改善,它不溶出毒性元素,也具有相当的机械强度,但是,由于氧化铝不易与骨骼产生化学键合,因而仍然难以满足手术材料应具备高度生物活性的要求。自20世纪70年代末出现具有生物活性的羟基磷灰石生物陶瓷材料(HAP)后,生物陶瓷越来越受到人们的青睐,但羟基磷灰石材料本身的机械强度第,不适于用在人体受力很大的部位,因而人们致力于改善材料性能的研究。
随着研究的深化和应用范围的扩大,对生物微晶玻璃的要求越来越高,为获得长期满意的生物效应,各国学者进行了广泛而深入的研究,目前国内外正致力于活性,特异性的生物微晶玻璃材料的研究,可望在近期内取得更大的进展。
结束语
现代科学技术的发展,对材料的性能要求越来越高。微晶玻璃在现代高新技术领域具有重要的应用价值,也同样面临着发展的机遇。借鉴结构陶瓷的发展历程,微晶玻璃的研究成了近年来功能材料研究领域内新的发展方向。
微晶玻璃的研制正处在从经验积累向科学控制材料组成和结构的阶段转变。因此,应按照使用要求,在不同层次上对材料的组成、结构进行科学设计与调控。玻璃的组成应包括化学组成和晶相组成,而且要注意微晶玻璃的功能“稀释”效应。即当具有特殊功能的晶相含量不足时,晶相被残余的玻璃相或其他杂质相所包围,导致材料显示的功能效应大大减少,甚至不具备实用价值。因此,应尽量提高功能主晶相的含量,减少杂质相和玻璃相。另外,晶粒尺寸和结晶形状、晶相与玻璃相的界面组成及其结合强度对功能微晶玻璃的性能也是至关重要的。
微晶玻璃的应用开发和产业化是值得关注的另一重要问题,应引起研究者的足够重视。目前我国虽已取得不少微晶玻璃方面的研究成果,对某些系统的研究已接近发达国家水平。但是在产业化和应用方面与国外先进水平相比,差距还很大[4]。其原因是多方面的,其中应用目标不明确、研究经费不足和中试环节不畅是三个重要的原因。国家用于基础研究的经费无法完成中试,而企业又很少原意承担中试和市场培育的巨大风险。因此,如何根据市场的需要来开发新型功能微晶玻璃材料,如何把实验室的研究成果转化为规模化生产、性能可靠、经济的技
术产品,是微晶玻璃发展的必然趋势。
参考文献:
[1] 王承遇,陶英.玻璃材料手册[M].化学工工业出版社,2005年1O月。
[2] 肖汉宁,彭文琴,邓春明.微晶玻璃的制备技术,性能及用途[J].中国玻璃.2000,36(5):31
[3]卢安贤,柯尊斌,刘树江.可机械加工微晶玻璃应用研究新进展IJ1.硅酸盐通报.2006,25(1):49.
[4] 张常建,肖卓豪,卢安贤.透明微晶玻璃的研究现状与展望.[N].材料导报.2009,23(7):38—43.