玻璃陶瓷復(fù)合材料和研究進(jìn)展

肖堯 陳世杰

摘 要：自進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)逐漸將新材料的研究作為國(guó)家發(fā)展的一個(gè)重要方向，其對(duì)國(guó)家的政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等都具有較大的影響，通過(guò)新材料的研究能夠使國(guó)家在世界舞臺(tái)上處于更加有利的地位。在所有的新材料研究中，玻璃陶瓷復(fù)合材料是一個(gè)重要的研究方向，其在日常的工作和生活中具有廣泛的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)玻璃陶瓷復(fù)合材料的研究，能夠使國(guó)家更好的應(yīng)對(duì)目前越來(lái)越緊張的自然資源。在本文中，對(duì)當(dāng)前我國(guó)的玻璃陶瓷復(fù)合材料的研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展方向和研究方向進(jìn)行了簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：玻璃陶瓷;復(fù)合材料;研究發(fā)展

所謂的玻璃陶瓷復(fù)合材料，其是一種具有較高強(qiáng)度，且能夠預(yù)防多種化學(xué)物質(zhì)腐蝕和絕緣性質(zhì)較好的新型無(wú)機(jī)材料，其結(jié)構(gòu)和性能等和單一的玻璃和陶瓷差別較大，因此，其在日常的使用范圍較大，能夠勝任多種需求。另外，由于特殊的形成機(jī)理，其在形成的過(guò)程中內(nèi)部含有的雜質(zhì)和氣孔更少，內(nèi)部的密度比一般的材料大，這就使其能夠應(yīng)用在生物材料和電學(xué)材料等多個(gè)領(lǐng)域，為我國(guó)的軍事和生物醫(yī)藥等各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供了一個(gè)新的方向。

1 玻璃陶瓷復(fù)合材料的特點(diǎn)

對(duì)于玻璃陶瓷復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，其在各方面的性能同傳統(tǒng)的陶瓷材料相比，具有更大的優(yōu)勢(shì)，且由于其是一種復(fù)合性材料，對(duì)單一陶瓷材料中的一些缺點(diǎn)進(jìn)行了很好的解決。但傳統(tǒng)的陶瓷材料相比，玻璃陶瓷復(fù)合材料具有更低的韌性，在使用的過(guò)程中，若突然受到較大的力學(xué)沖擊，往往會(huì)出現(xiàn)突然性的斷裂，除此之外，其在使用的過(guò)程中，由于材料復(fù)合時(shí)發(fā)生了一些特殊的化學(xué)和物理反應(yīng)，導(dǎo)致其和一些工程陶瓷材料相比在強(qiáng)度方面沒(méi)有較大的優(yōu)勢(shì)。因此，當(dāng)前我國(guó)正在逐漸解決該材料中的力學(xué)性能改善，通過(guò)一些特殊的處理方法，對(duì)玻璃陶瓷符合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些改變，使其力學(xué)性能得到一定的提升，提高其使用價(jià)值。對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，影響其性能的最主要因素就是其微觀結(jié)構(gòu)，同傳統(tǒng)的玻璃陶瓷材料相比，玻璃陶瓷復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了一些不同的改變，從而將其內(nèi)部存在的一些缺陷進(jìn)行了修補(bǔ)，對(duì)材料的整體力學(xué)性能進(jìn)行了較大的提高。

2 玻璃陶瓷復(fù)合材料的研究情況

通過(guò)較多研究人員的努力，對(duì)玻璃陶瓷復(fù)合材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一些特殊處理，從而研究出了一些具有不同力學(xué)性能的材料，各自具有的特點(diǎn)使其能夠更好的符合某些行業(yè)的特殊要求，下面對(duì)當(dāng)前比較常用的幾種研究方向進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹：

2.1 纖維增強(qiáng)玻璃陶瓷復(fù)合材料

近些年以來(lái)，世界各國(guó)對(duì)玻璃陶瓷復(fù)合材料的韌性進(jìn)行了多種嘗試，從而找到了一種新型的解決辦法，通過(guò)對(duì)玻璃陶瓷復(fù)合材料中的纖維進(jìn)行一些修補(bǔ)，能夠?qū)ΣＡ沾蓮?fù)合材料的韌性進(jìn)行大幅度的提高，從而將其發(fā)生斷裂的可能性降到最低，甚至能夠達(dá)到和四氮化三硅的力學(xué)性能相媲美。另外，經(jīng)過(guò)該處理的纖維陶瓷復(fù)合材料的抗腐蝕性能也得到了較大的提高，能夠承受高溫的環(huán)境沖擊，從而使其在市場(chǎng)上具有更廣闊的市場(chǎng)。

在20世紀(jì)的中后期，Sambell等人經(jīng)過(guò)多年的研究，制備出了碳纖維增強(qiáng)的玻璃陶瓷復(fù)合材料，在當(dāng)時(shí)，該材料的韌度得到了最大程度上的提高，甚至在一些性能上超過(guò)了當(dāng)時(shí)的其他材料。隨后，高積強(qiáng)等人對(duì)其進(jìn)行新型的研究，在此技術(shù)的基礎(chǔ)上研制出了一種新型的短纖維增強(qiáng)玻璃陶瓷基復(fù)合材料，通過(guò)對(duì)其靜疲勞進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其在疲勞指數(shù)和靜疲勞行為上高于傳統(tǒng)的陶瓷材料。通過(guò)纖維的加入，使傳統(tǒng)陶瓷材料的靜疲勞得到了較大的提高，從而能夠更好的預(yù)防裂紋尖端的擴(kuò)展。

在最近一些年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)晶須具有高強(qiáng)度等眾多優(yōu)點(diǎn)，從而考慮將其加入到玻璃陶瓷復(fù)合材料中，進(jìn)一步提高玻璃陶瓷復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。隨后相關(guān)科學(xué)家開始了各種嘗試，研制出了一批具有更優(yōu)性能的新型纖維玻璃陶瓷復(fù)合材料，為材料行業(yè)的發(fā)展提供了更多的技術(shù)支持。

2.2 牙科用玻璃陶瓷復(fù)合材料

復(fù)合材料應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)是20世紀(jì)新興的一種高新技術(shù)，在該行業(yè)中對(duì)復(fù)合材料提出了一些特殊的要求，保證其在性能上滿足生物體的要求。目前，生物材料已經(jīng)有一部分應(yīng)用在實(shí)踐中，并取得了一定的成功，但由于這一技術(shù)的發(fā)展時(shí)間較短，還存在著很多的不足需要解決。目前，比較主要的問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：首先是生物陶瓷材料在使用時(shí)，由于其自身存在的惰性，導(dǎo)致其在使用的過(guò)程中難以滿足病人的生活需求，另外，對(duì)于某些特殊的生物材料，其在使用的過(guò)程中強(qiáng)度往往很難滿足人們的需求，且由于其脆性相比于人類自身的某些組織結(jié)構(gòu)較高，導(dǎo)致在使用的過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)一些損傷，但卻沒(méi)有自動(dòng)修復(fù)的功能，在使用一段時(shí)間后必須更換。最后是生物材料應(yīng)用在牙科治療中，其往往很難和真正的牙齒一樣具有色調(diào)修復(fù)功能，從而影響病人使用的美觀要求等。

通過(guò)研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)二氧化鋯具有非常優(yōu)良的力學(xué)性能，另外，其本身還具有非常好的相變性能，在一定條件下能夠發(fā)生顏色的改變。該材料本身的顏色是淡黃色，這和牙齒的顏色具有較大的相似性，然后科學(xué)家將這種材料加入到玻璃陶瓷復(fù)合材料中，然后通過(guò)一些特殊的處理方法，將其制成具有高強(qiáng)度和高韌性的牙科材料。該材料無(wú)論是外形、顏色還是力學(xué)性能上，都能滿足當(dāng)前人類的生活需求，因此，是當(dāng)前比較常見(jiàn)的一種牙科修復(fù)美容材料。此外，還有一種鈣鋁硅鋅玻璃陶瓷，這是一種將玻璃作為基體的新型玻璃陶瓷，由于其結(jié)構(gòu)主要是由鏈狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽組成，能夠在材料內(nèi)部形成具有交叉效果的網(wǎng)狀體，這種材料結(jié)構(gòu)使其能夠承受更強(qiáng)的力學(xué)沖擊，且對(duì)于一些腐蝕性的物質(zhì)具有更強(qiáng)的抗性等，根據(jù)這些優(yōu)勢(shì)，使其在牙科中的應(yīng)用前景非常廣闊。

玻璃陶瓷是一種修復(fù)牙科疾病的重要材料，由于其材料的質(zhì)感和美感等同牙齒具有較高的相似度，因此，是最受牙病患者喜愛(ài)的修復(fù)材料。然而，由于陶瓷類的材料在進(jìn)行加工的過(guò)程中，其具有較高的硬度，在進(jìn)行加工時(shí)很難滿足用戶的需求，而人體的牙齒形狀各不相同，這就為陶瓷類材料的使用產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。在1972年，著名的科學(xué)家Crossman成功發(fā)明了一種能夠進(jìn)行切削的新型玻璃陶瓷復(fù)合材料，這種材料能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的車床對(duì)其進(jìn)行直接的切割加工，對(duì)玻璃陶瓷復(fù)合材料在牙科中的應(yīng)用取得了重要的突破，大大加快了生物材料的發(fā)展進(jìn)程。

2.3 玻璃陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料

這也是一種新型的復(fù)合型材料，在原有的玻璃陶瓷復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，添加一些特殊的金屬材料，使其能夠具有兩者的共同優(yōu)點(diǎn)，像陶瓷材料的裝飾效果和金屬的易加工性等，這兩種材料的結(jié)合，為人類的生活水平的提高創(chuàng)造了更好的條件。

對(duì)這兩種材料的復(fù)合，需要對(duì)以下幾點(diǎn)因素進(jìn)行考慮，分別是熱處理時(shí)的溫度和時(shí)間的控制，然后是金屬表面的氧化程度等，這些因素對(duì)復(fù)合材料的各項(xiàng)性能具有直接的影響，因此，是制備玻璃陶瓷/金屬?gòu)?fù)合材料需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。玻璃陶瓷的組成成分對(duì)其晶相的種類和含量等具有非常大的影響，因此，為了保證復(fù)合材料的各項(xiàng)性能滿足生產(chǎn)和生活的需要，需要對(duì)玻璃陶瓷復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及組成成分等進(jìn)行細(xì)致的研究。隨后，著名科學(xué)家鄭偉宏等人對(duì)玻璃陶瓷和金屬的復(fù)合過(guò)程進(jìn)行了認(rèn)真的檢測(cè)和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)氧化鋅和氧化鋁在復(fù)合材料中的質(zhì)量比例超過(guò)1時(shí)，復(fù)合后的材料能夠具有更優(yōu)的性能，且兩種材料的結(jié)合效果也能得到較大的提升。然后，對(duì)于金屬表面的處理和氧化程度，鄭偉宏等人通過(guò)SEM等技術(shù)進(jìn)行微觀探測(cè)后發(fā)現(xiàn)，其對(duì)復(fù)合后的材料效果影響較大，在復(fù)合之前對(duì)金屬的表面進(jìn)行清洗或者氧化等措施，能夠大大提高兩種材料的結(jié)合效果。一般的表面清洗采用的是有機(jī)溶劑，然后通過(guò)500℃的高溫處理，使兩種材料形成牢固的結(jié)合。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，對(duì)于玻璃陶瓷復(fù)合材料的研究已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，很多的玻璃陶瓷復(fù)合材料已經(jīng)投入到正常的生產(chǎn)中，為人們的生活水平的提高創(chuàng)造了更好的條件。但其中仍然存在著一些問(wèn)題需要解決，為了提高我國(guó)玻璃陶瓷復(fù)合材料的使用性能，需要相關(guān)工作人員加強(qiáng)研究。

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