纳米微晶玻璃外文翻译资料

 2021-10-24 14:22:05

英语原文共 12 页

journal

J. Am。CERAM。Soc。，82 [1] 5plusmn;16（1999）

纳米微晶玻璃

微晶玻璃的未来应用很可能是资本化设计的，高度专业化的信息传输，显示和存储属性。具有微观结构的微晶结构由lt;100nm的均匀分散晶体组成，为许多潜在的新应用提供了希望，并为许多现有产品提供了独特的特性。本文重点介绍两种类型的纳米晶微晶玻璃：透明微晶玻璃和具有预加工表面的韧性高模量微晶玻璃。透明的微晶玻璃由某些具有有效晶核和缓慢生长能力的铝硅酸盐玻璃形成。关键的晶体相包括beta;-石英固溶体，其特征在于低热膨胀行为;尖晶石，具有高硬度和弹性模量;莫来石，显示出独特的铬发光特性。

  1. 介绍

微晶玻璃技术是基于玻璃的受控的成核和结晶过程一种技术。微晶玻璃制品可以通过玻璃的内部成核或通过玻璃料的烧结和结晶来制造，其成核为其内部提供了更广泛的潜在微结构。一些玻璃组合物是自成核的，但更常见的是，将已知为成核剂的某些组分添加到批料中以促进相分离和内部成核。成核剂均匀地熔化到玻璃中，在再加热时促进非常精细的相分离。分散相通常在结构上与主体玻璃不相容，因此在高于玻璃退火点30°plusmn;100℃的温度下加热析出小的晶核。这些晶体用作随后的初级晶体成核的位点。

George H. Beall* 和Linda R. Pinckney*

康宁公司，纽约康宁

在其他情况下，结晶在相分离的小球本身的表面内或从相分离的小球本身的表面进行。

成核之后是一个或多个更高温度的处理，以促进主要相的结晶和所需微观结构的发展。生长过程一直持续到邻近的晶体撞击为止，形成具有少量再生玻璃的高度结晶体，或者直到残留的玻璃在晶体形成组分中耗尽。某些微晶玻璃专门设计为在连续残留玻璃基质中具有均匀分散的非阻挡晶体的微观结构。

与传统的粉末加工陶瓷相比，微晶玻璃具有几个优点。除了在玻璃态下易于形成柔韧性之外，微晶玻璃还具有均匀的微观结构和随后的起始玻璃均匀性导致的性能再现性。此外， 微晶玻璃提供广泛的物理性质，例如从-75times;10 minus;7 /°C到 200times;10 minus;7 /°C的热膨胀系数（CTE）通常不容易在玻璃或陶瓷中获得。许多商业微晶玻璃的价值主要在于它们几乎为零的热膨胀，而高机械强度和零孔隙率的结合已经被从建筑材料到餐具到骨植入物的应用所利用。在微晶玻璃中可获得的许多类型的微结构中，基于均匀分散的晶体尺寸lt;100nm的微结构为当前产品提供了独特的属性，并为许多潜在的新应用提供了前景。这种微结构可以称为“纳米晶体”。

本文重点介绍两种类型的纳米晶微晶玻璃：透明微晶玻璃和坚韧的高模量微晶玻璃，表面精确设计。第一组具有许多消费者和技术应用，而第二组作为磁存储盘基板或其他需要光滑表面，化学耐久性和高使用温度的应用而受到关注。

RACondrateETH;贡献编辑

  1. 透明微晶玻璃

手稿第189920号。1998年8月27日收到;1998年11月25日批准。

*美国陶瓷学会会员。

透明微晶玻璃通常具有两种独特的性质：它们是纳米晶体，并且它们具有比其母玻璃更高的热稳定性，通常具有gt; 800℃的上限使用温度。

centennialfeature

5

6 美国陶瓷协会杂志 - 贝尔和平克尼 卷。82号，1号

透明微晶玻璃具有卓越的热性能，特别是超低热膨胀，高热稳定性和抗热冲击性。基于锂填充beta;-石英晶体的零或接近零的膨胀材料用于高精度光学应用，例如望远镜镜面坯料以及炉灶台，炊具，木炉窗，防火门和其他技术装置。

另一类透明微晶玻璃具有与硅紧密匹配的热膨胀。这些材料通常基于尖晶石或莫来石在非碱性硅质玻璃中的分散，并且在平板显示器领域具有潜在的应用。第三组透明微晶玻璃具有与玻璃明显不同的发光特性。潜在应用包括用于激光应用的光放大器，太阳能收集器和上转换器件。

  1. 透明度要求

良好的透明度要求材料具有低光学散射和低离子/原子吸收。通过满足两个标准中的任何一个，可以获得更难以实现的低散射。当所有晶相和残余玻璃具有紧密匹配的折射率和晶体具有低双折射时，满足第一个标准。符合此标准的微晶玻璃的例子是SiO2-Al2O3-MgO-ZnO-ZrO2 体系中的镁和锌填充beta;-石英。1 尽管晶体尺寸高达10微米，beta;-石英晶体的光学近似各向同性在微晶玻璃中提供了良好的透明度。

在晶体尺寸远小于光的波长的情况下，满足低散射的第二标准。在这种情况下，有两种类型的散射情况。一个涉及广泛分离的独立散射体并遵守Rayleigh-Gans模型。2 在这种情况下，由于散射引起的总浊度衰减，给出为

其中N是粒子数密度，V是粒子体积，a是粒子半径，（其中lambda;是波长），n是晶体的折射率，而n是晶体和主体之间的折射率差。出于实际目的，这里实现了透明度，其中颗粒半径lt;15nm并且玻璃和晶体之间的折射率差lt;0.1。这是一个相当严格的条件，但它可以实现。

另一种散射模型涉及间隔更紧密的小颗粒。该模型要求颗粒之间的距离不小于颗粒半径，但可以至少达到颗粒半径的6倍。在这些条件下，Andreev3 和Hopper4 独立开发的准连续模型描述了来自单个粒子的干扰场，产生了很大的补偿效应。料斗给出了浊度的公式

其中theta;是平均相宽（a W / 2），W是粒子间距。在这种情况下，在较大的折射率差异下，粒径lt;30 nm时，允许改善透明度，最高可达n =0.3。

成核速率必须接近最佳才能获得这种小晶体。图1显示了Tamann5,6 的经典图，说明了温度对均匀成核和晶体生长速率的影响。最佳成核温度低于晶体生长的最佳速率。两种速率都受到低温粘度和在熔融温度或接近熔融温度下缺乏热力学驱动力的限制。尽管异相成核速率可能更复杂，但一般规则认为最佳成核温度远低于晶体生长温度

图1.温度对均匀成核和晶体生长速率的影响。（Tamann之后，1925年。）

通常在玻璃化转变温度（Tg）之上50°和100°C之间。晶体生长速率应保持较低，以使晶粒尺寸最小化，利用成核和生长温度之间较小的温度差异，而不是峰值的最大值。

  1. 基于亚稳态beta;-石英固溶体的透明微晶玻璃

通过填充beta;-石英（高石英）作为主要结晶相的沉淀产生具有接近零CTE的微晶玻璃。理想化的beta;-石英结构包括SiO2 四面体的互连螺旋的框架。7,8 在两个螺旋之间产生能够接受离子半径为0.06-0.08nm的小阳离子的变形四面体空腔。术语“填充”来源于固溶体，其中Al3 取代石英四面体位置的Si4 ，电荷平衡由填充间隙四面体空腔的离子维持。最终的Li -填充的beta;-石英衍生物是化学计量的_锂霞石，LiAlSiO4，其中完全一半的硅被铝和锂取代，优选占据SiO4 上的四面体空穴交替SiO4 和AlO4 四面体并入（001）的四面体平面。7 在某些beta;-石英结构中，二价镁和锌离子可部分或完全取代锂。在这种情况下，Mg2 和Zn2 离子优选占据上述两个四面体位点之间的八面体位置。在较小程度上，空腔也接受少量的Fe2 ，Mn2 和Co2 。

典型的商业组合物可包含60mol％的SiO2 和40mol％的锂霞石组分，其中一些Li2O被MgO和锌代替。最常研究的固溶体由通式9描述

Li2minus;2( x y)MgxZnyO·Al2O3·zSiO2

其中x yle;1和zgt; 2.此外，可以形成磷酸盐beta;-石英固溶体，其中AlPO4 部分取代SiO2。磷酸beta;-石英组合物的一个例子是商业Schott Zerodurt。尽管所有这些beta;-石英固溶体都被认为是亚稳态的，但是在beta;-锂霞石化学计量附近除外，许多化合物即使在1200℃加热100小时也保留了beta;-石英结构。 8 代表性的有beta;-石英结构的微晶玻璃在表I中给出。

填充beta;-石英的晶体通常随着温度升高而呈现低或负体积膨胀。CTE通常随着beta;-石英结构中Li 和Zn2 的量的增加而降低，并且随着Mg2 的增加而增加。通过调整beta;-石英晶体和正膨胀残留玻璃的组成和数量，可以设计在相当宽的温度间隔内基本上没有膨胀的材料。测量各种beta;-石英固体的CTE

1999年1月

纳米微晶玻璃

7

表I.有beta;-石英结构的微晶玻璃

成分（wt％）

Q1

Q2

Q3

Q4

愿景

微晶玻璃

恻然

诺伊卡拉姆

氧化

（康宁）

（Schott）美国

（Schott）美国

（负）

SiO2

68.8

55.4

63.4

65.1

Al2O3

19.2

25.4

22.7

22.6

Li2O

2.7

3.7

3.3

4.2

MgO

1.8

1.0

0.5

ZnO

1.0

1.6

1.3

BaO

0.8

2.2

P2O5

7.2

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