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顯微下的微晶玻璃結構

發布時間:2016/4/10

顯微下的微晶玻璃結構

微晶玻璃的顯微結構主要由組成和熱處理工藝所決定,對于微晶玻璃的物理特性如機械強度、斷裂韌性、透光性、抗熱震性等有很大影響。微晶玻璃的顯微結構主要有枝晶結構、超細顆粒、多孔膜、殘余結構、積木結構、柱狀互鎖結構、孤島結構、片狀孿晶等。
微晶玻璃
枝晶結構是由晶體在某一晶格方向上加速生長造成的。枝晶的總輪廓與通常晶體形貌相似,在枝晶結構中保留了很高比例的殘余玻璃相。枝晶在三維方向上連續貫通,形成骨架。由于氫氟酸對亞硅酸鋰的侵蝕速度要比鋁硅酸鹽玻璃相更快,亞硅酸鋰枝晶有容易被銀感光成核,可將復雜的圖案轉移到微晶玻璃上。

高度晶化微晶玻璃的晶粒尺寸可以控制在幾十納米以內,得到超細顆粒結構。在鋰鋁硅透明微晶玻璃中,由于充分核話,基礎玻璃中形成大量的鈦酸鋯晶核,β-石英固溶體晶相在晶核上外延生長,形成平均晶粒尺寸約60nm均勻的超細顆粒結構。由于晶粒尺寸遠小于可見光波長,并且β-石英固溶體的雙折射率較低,該微晶玻璃透光率很高。

在許多微晶玻璃中,殘余玻璃相可以形成多孔膜結構。以β-鋰輝石固溶體為主晶相的鋰鋁硅不透明微晶玻璃中,殘余玻璃相中SiO2含量較高,黏度較大,因而能夠阻礙鋁離子膜網絡。因此,鋰鋁硅微晶玻璃在高溫下具有非常好的顆粒穩定性,可以在1200℃的高溫下長時間使用。

所謂殘余結構式指微晶玻璃如實地保留了基礎玻璃中原有的結構。微晶玻璃成核的第一步往往是液-液分相,形成液滴。如在二元鋁硅玻璃中,從高硅基質中分離出組成類似于莫來石的高鋁液滴。熱處理時,高鋁液滴晶化成為莫來石微晶體,其外形繼承了母體液滴的球形外貌。由于微晶體尺寸很小,只有幾十納米,盡管莫來石與硅質玻璃之間的折射率相差較大,對可見光的散射很小,是一種透明微晶玻璃。

云母類硅酸鹽礦物在二維方向上結晶能夠產生一種互鎖的積木結構,是可切削微晶玻璃的典型顯微結構。由于云母晶相較軟,而且能使切削工具尖端引起的裂紋鈍化、偏轉和分支而產生碎片剝落,不會產生災難性破壞,因此即使晶相體積分數僅40%也具有良好的可切削性,此外,云母相的連續性也使此類微晶玻璃具有很高的電阻率和介電強度。

具有柱狀或針狀互鎖顯微結構的微晶玻璃具有最高的機械強度和斷裂韌性。以鉀氟堿錳閃石為主晶相的閃石微晶玻璃的顯微玻璃的顯微照片。柱狀互鎖顯微結構具有類似于晶須補強陶瓷中晶須隨機排列的結構特征。這種微晶玻璃的彎曲強度達150Mpa,斷裂韌性大(3.2±0.2)Mpa·m。以鏈狀硅酸鹽礦物氟硅堿鈣石為主晶相、晶化程度更高的氟硅堿鈣石微晶玻璃具有柱狀互鎖顯微結構,其彎曲強度接近300Mpa,斷裂韌性高達5.0Mpa·m.

當平衡相沿著各種亞穩相的界面形成時,便產生了典型的孤島結構。在存在莫來石晶體和殘余玻璃相的硅酸銫微晶玻璃產生的銫榴石晶相就具有孤島顯微結構。

幾種微晶玻璃的晶相如頑輝石、鈣長石和白榴石在冷卻過程中發生結構轉變,生產聚合孿晶,生產一種能夠提高斷裂韌性的片狀孿晶顯微結構。頑輝石開始形成原頑輝石,當冷卻到1000℃時,頑輝石發生馬氏體相變轉變位斜頑輝石,頑輝石顆粒高度孿晶化。由于這種孿晶片顯微結構可以使裂紋偏轉吸收能量,使這種微晶玻璃具有最高的斷裂韌性,平均約5.0Mpa·m,并具有很高的彈性模量。
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