微晶玻璃技术

发展史/1

第1章　微晶玻璃设计的基本原理/4
1.1 微晶玻璃的优点 4
1.1.1 工艺特性 5
1.1.2 热学特性 5
1.1.3 光学特性 6
1.1.4 化学特性 6
1.1.5 生物学特性 6
1.1.6 力学特性 6
1.1.7 电学和磁学特性 6
1.2 设计因素 7
1.3 晶体结构和矿物学特性 7
1.3.1 硅酸盐晶体 7
1.3.1.1 岛状硅酸盐 9
1.3.1.2 双硅酸盐 9
1.3.1.3 环状硅酸盐 9
1.3.1.4 链状硅酸盐 9
1.3.1.5 层状硅酸盐 10
1.3.1.6 网状硅酸盐 10
1.3.2 磷酸盐 28
1.3.2.1 磷灰石 28
1.3.2.2 正磷酸盐和磷酸氢盐 29
1.3.2.3 偏磷酸盐 30
1.3.3 氧化物 32
1.3.3.1 TiO2 32
1.3.3.2 ZrO2 32
1.3.3.3 MgAl2O4 (尖晶石) 33
1.4 成核 34
1.4.1 均匀成核 35
1.4.2 非均匀成核 36
1.4.3 均匀成核和非均匀成核的动力学 37
1.4.4 成核理论在微晶玻璃研发中的应用实例 39
1.4.4.1 整体成核 39
1.4.4.2 表面核化 43
1.4.4.3 时间-温度-转变(TTT)相图 45
1.5 晶体长大 46
1.5.1 初次生长 47
1.5.2 各向异性生长 49
1.5.3 表面生长 53
1.5.4 树状和球状晶化 54
1.5.4.1 现象学 54
1.5.4.2 树状和球状晶体的应用 56
1.5.5 二次长大 57

第2章　微晶玻璃的组成系统/58
2.1 碱金属和碱土金属硅酸盐 58
2.1.1 SiO2-Li2O (二硅酸锂) 58
2.1.1.1 化学计量组成 58
2.1.1.2 非化学计量多成分组成 60
2.1.2 SiO2-BaO (硅钡石) 68
2.1.2.1 化学计量二硅酸钡 68
2.1.2.2 多组分微晶玻璃 69
2.2 铝硅酸盐 69
2.2.1 SiO2-Al2O3 (莫来石) 69
2.2.2 SiO2-Al2O3-Li2O (β-石英固溶体、β-锂辉石固溶体) 71
2.2.2.1 β-石英固溶体微晶玻璃 71
2.2.2.2 β-锂辉石固溶体微晶玻璃 74
2.2.3 SiO2-Al2O3-Na2O (霞石) 76
2.2.4 SiO2-Al2O3-Cs2O (铯榴石) 79
2.2.5 SiO2-Al2O3-MgO (堇青石、顽辉石、镁橄榄石) 81
2.2.5.1 堇青石微晶玻璃 81
2.2.5.2 顽辉石微晶玻璃 84
2.2.5.3 镁橄榄石微晶玻璃 85
2.2.6 SiO2-Al2O3-CaO (钙硅石) 87
2.2.7 SiO2-Al2O3-ZnO (Zn填充的β-石英、硅锌矿-红锌矿) 89
2.2.7.1 Zn填充β-石英微晶玻璃 89
2.2.7.2 硅锌矿和红锌矿微晶玻璃 90
2.2.8 SiO2-Al2O3-ZnO-MgO (尖晶石、锌尖晶石) 92
2.2.8.1 没有β-石英的尖晶石微晶玻璃 92
2.2.8.2 β-石英尖晶石微晶玻璃 93
2.2.9 SiO2-Al2O3-CaO (炉渣微晶玻璃) 93
2.2.10 SiO2-Al2O3-K2O (白榴石) 96
2.2.11 SiO2-Ga2O3-Al2O3-Li2O-Na2O-K2O (锂铝镓酸盐尖晶石) 99
2.2.12 SiO2-Al2O3-SrO-BaO (锶-长石-钡长石) 99
2.3 氟硅酸盐 103
2.3.1 SiO2-(R3+)2O3-MgO-(R2+)O-(R+)2O-F (云母) 103
2.3.1.1 碱金云母微晶玻璃 103
2.3.1.2 无碱金云母微晶玻璃 107
2.3.1.3 四硅云母微晶玻璃 108
2.3.2 SiO2-Al2O3-MgO-CaO-ZrO2-F (云母、氧化锆) 109
2.3.3 SiO2-CaO-R2O-F硅碱钙石 110
2.3.4 SiO2-MgO-CaO-(R+)2O-F (角闪石) 114
2.4 磷硅酸盐 117
2.4.1 SiO2-CaO-Na2O-P2O5 (磷灰石) 117
2.4.2 SiO2-MgO-CaO-P2O5-F (磷灰石,硅灰石) 119
2.4.3 SiO2-MgO-Na2O-K2O-CaO-P2O5 (磷灰石) 120
2.4.4 SiO2-Al2O3-MgO-CaO-Na2O-K2O-P2O5-F (云母、磷灰石) 120
2.4.5 SiO2-MgO-CaO-TiO2-P2O5 (磷灰石、钛酸镁) 124
2.4.6 SiO2-Al2O3-CaO-Na2O-K2O-P2O5-F针状磷灰石 125
2.4.6.1 针状磷灰石的形成与磷酸钙钠的反应同时发生 128
2.4.6.2 从无序球形氟磷灰石晶体中形成针状磷灰石 131
2.4.7 SiO2-Al2O3-CaO-Na2O-K2O-P2O5-F/Y2O3、B2O3 (磷灰石和白榴石) 132
2.4.7.1 氟磷灰石和白榴石 132
2.4.7.2 氧磷灰石和白榴石 134
2.4.8 SiO2-CaO-Na2O-P2O5-F (磷酸钙钠) 136
2.5 铁硅酸盐 137
2.5.1 SiO2-Fe2O3-CaO 137
2.5.2 SiO2-Al2O3-FeO-Fe2O3-K2O (云母,铁酸盐) 138
2.5.3 SiO2-Al2O3-Fe2O3-(R+ )2O -(R2+ ) O (玄武岩) 140
2.6 磷酸盐 141
2.6.1 P2O5-CaO (偏磷酸盐) 141
2.6.2 P2O5-CaO-TiO2 144
2.6.3 P2O5-Na2O-BaO和P2O5-TiO2-WO3 144
2.6.3.1 P2O5-Na2O-BaO系统 144
2.6.3.2 P2O5-TiO2-WO3 系统 145
2.6.4 P2O5-Al2O3-CaO (磷灰石) 145
2.6.5 P2O5-B2O3-SiO2 146
2.6.6 P2O5-SiO2-Li2O-ZrO2 148
2.6.6.1 含有16% (质量分数)ZrO2 的微晶玻璃 149
2.6.6.2 含有20% (质量分数)ZrO2 的微晶玻璃 149
2.7 其他系统 150
2.7.1 钙钛矿型微晶玻璃 150
2.7.1.1 SiO2-Nb2O5-Na2O-(BaO) 151
2.7.1.2 SiO2-Al2O3-TiO2-PbO 152
2.7.1.3 SiO2-Al2O3-K2O-Ta2O5-Nb2O5 153
2.7.2 钛铁矿型(SiO2-Al2O3-Li2O-Ta2O5)微晶玻璃 153
2.7.3 B2O3-BaFe12O19 (钡铁氧体)或者BaFe10O15 (铁酸钡) 154
2.7.4 SiO2-Al2O3-BaO-TiO2 (钛酸钡) 154
2.7.5 Bi2O3-SrO-CaO-CuO 155

第3章　微观结构控制/156
3.1 固相反应 156
3.1.1 等化学相变 156
3.1.2 相间反应 157
3.1.3 溶出 157
3.1.4 利用相图预测微晶玻璃的聚集 157
3.2 微观结构设计 158
3.2.1 纳米晶体微观结构 158
3.2.2 细胞膜微观结构 159
3.2.3 海岸线-岛状微观结构 161
3.2.4 树枝状微观结构 162
3.2.5 残留微观结构 165
3.2.6 “卡片屋”结构 165
3.2.6.1 成核反应 166
3.2.6.2 初级晶相形成和云母析出 166
3.2.7 卷心菜头结构 168
3.2.8 针状互锁结构 171
3.2.9 薄片状双晶结构 173
3.2.10 晶体优先取向 174
3.2.11 晶体网状微观结构 176
3.2.12 天然材料举例 176
3.2.13 纳米晶 178
3.3 关键性能的控制 179
3.4 方法和测试 180
3.4.1 化学系统和晶相 180
3.4.2 晶相测定 180
3.4.3 晶体形成的动力学过程 181
3.4.4 微观结构测定 184
3.4.5 力学、光学、电学、化学和生物学性能 185
3.4.5.1 微晶玻璃的光学性能和化学组成 186
3.4.5.2 微晶玻璃的力学性能和微观结构 186
3.4.5.3 电学性能 187
3.4.5.4 化学性能 187
3.4.5.5 生物学性能 188

第4章　微晶玻璃的应用/189
4.1 技术应用 189
4.1.1 雷达罩 189
4.1.2 光敏和蚀刻材料 189
4.1.2.1 Fotoform和Fotoceram 190
4.1.2.2 Foturan 193
4.1.2.3 其他产品 195
4.1.3 可加工微晶玻璃 195
4.1.3.1 MACOR和DICOR 195
4.1.3.2 VitronitTM 198
4.1.3.3 PhotoveelTM 198
4.1.4 磁盘基片 199
4.1.5 液晶显示 201
4.2 日用品应用 202
4.2.1 β-锂辉石固溶体微晶玻璃 202
4.2.2 石英固溶体微晶玻璃 204
4.3 光学应用 206
4.3.1 望远镜 206
4.3.1.1 发展需求 206
4.3.1.2 Zerodur微晶玻璃 206
4.3.2 集成透镜阵列 208
4.3.3 发光微晶玻璃的应用 210
4.3.3.1 太阳能集光器的Cr掺杂莫来石 210
4.3.3.2 用于可调激光器和光存储媒介的Cr掺杂尖晶石 212
4.3.3.3 稀土掺杂氟氧化物用于放大、上转换和量子切割 215
4.3.3.4 铬(Cr4+)掺杂镁橄榄石、β-硅锌矿和其他用于宽波放大的正硅酸盐 219
4.3.3.5 Ni2+掺杂镓酸盐尖晶石用于放大和宽波红外光源 221
4.3.3.6 用于白色LED的YAG微晶玻璃磷光粉 224
4.3.4 光学元件 225
4.3.4.1 用于光纤布拉格光栅无热化微晶玻璃 225
4.3.4.2 光学光栅和波导的激光诱导晶化 230
4.3.4.3 光学连接器的微晶玻璃套圈 231
4.3.4.4 可控红外线吸收和微波敏感性透明ZnO微晶玻璃的应用 232
4.4 医用和牙科用微晶玻璃 232
4.4.1 医用微晶玻璃 233
4.4.1.1 CERABONE 233
4.4.1.2 CERAVITAL 235
4.4.1.3 BIOVERIT 235
4.4.2 牙科修复用微晶玻璃 236
4.4.2.1 无金属修复剂用可模塑微晶玻璃 237
4.4.2.2 无金属修复剂可加工微晶玻璃 244
4.4.2.3 金属框架微晶玻璃 246
4.4.2.4 高韧性多晶陶瓷上的微晶玻璃装饰材料 250
4.5 电子和电学应用 255
4.5.1 绝缘体 255
4.5.2 电子封装 256
4.5.2.1 发展需求 256
4.5.2.2 性能和工艺 257
4.5.2.3 应用 258
4.6 建筑应用 259
4.7 涂层和焊接 261
4.8 新能源应用 262
4.8.1 锂电池组成 262
4.8.1.1 负极 262
4.8.1.2 电解质 263
4.8.2 固体氧化物燃料电池的连接材料 263

后记　未来发展方向/264

附录　23种晶体结构的21张图/265

参考文献/278