玻璃陶瓷是２０世紀(jì)７０年代發(fā)展起來(lái)的新型陶瓷材料，它是通過(guò)控制玻璃體析

晶而獲得的多晶陶瓷材料，它兼有玻璃、陶瓷的優(yōu)點(diǎn)， 有常規(guī)材料難以達(dá)到的物理

性能。與玻璃比較，玻璃陶瓷的力學(xué)、耐腐蝕性能大大提高；與傳統(tǒng)陶瓷相比，玻璃

陶瓷的結(jié)構(gòu)、性能容易控制，可以運(yùn)用成熟的玻璃生產(chǎn)工藝來(lái)提高生產(chǎn)效率。因此，

玻璃陶瓷越來(lái)越受到人們的重視，獲得廣泛應(yīng)用，被相關(guān)人士譽(yù)為２１世紀(jì)的新型陶瓷材

料。

　　玻璃陶瓷材料的強(qiáng)度、韌性是玻璃陶瓷推廣應(yīng)用的重要因素，提高其強(qiáng)度和韌性

無(wú)疑將拓寬玻璃陶瓷的使用范圍，使其能在機(jī)械、化工等行業(yè)的耐磨、耐蝕結(jié)構(gòu)材料

中大顯身手。由于傳統(tǒng)玻璃陶瓷材料的強(qiáng)度低、脆性大、使用范圍受到一定限制。因

此，改善玻璃陶瓷力學(xué)性能，使其補(bǔ)強(qiáng)增韌的研究成為材料科學(xué)領(lǐng)域重要的研究課題。

　　現(xiàn)根據(jù)有關(guān)資料簡(jiǎn)介玻璃陶瓷補(bǔ)強(qiáng)增韌采用的方法、增韌機(jī)理及工藝特點(diǎn)。

一、通過(guò)調(diào)整組成優(yōu)化工藝增韌補(bǔ)強(qiáng)

　　玻璃陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能有非常大影響，可以通過(guò)控制結(jié)構(gòu)來(lái)改善其強(qiáng)度和

韌性，如交織結(jié)構(gòu)就可達(dá)到了此目的。董青石型的玻璃陶瓷中董青石晶體因消耗α—

石英、藍(lán)寶石、尖晶石而形成，它從晶界處生長(zhǎng)，而余下的二氧化硅則再結(jié)晶為枝條

狀方石英，它與金紅石大部分為堇青石包圍，形成海岸及島嶼型交織結(jié)構(gòu)，其斷裂韌

性和抗彎強(qiáng)度大大提高。

　　氮氧玻璃陶瓷材料的特點(diǎn)是氮替代玻璃結(jié)構(gòu)中的部分氧離子，替代度達(dá)５０％左

右，結(jié)構(gòu)中的ｓｉ－Ｎ鍵強(qiáng)度，致密性強(qiáng)，使材料的強(qiáng)度、彈性模量、硬度、軟化溫

度顯著提高。在ＬｉＯ２—Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２、ＭｇＯ－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２

系統(tǒng)中都能制得氮氧玻璃陶瓷。

玻璃陶瓷也可以通過(guò)離子交換法來(lái)達(dá)到增強(qiáng)的目的。該方法是在一定溫度下，使玻璃

陶瓷與熔鹽或鹽類(lèi)接觸，玻璃陶瓷表面的堿金屬離子與外來(lái)非常大堿金屬離子交換。由

于離子交換使玻璃陶瓷表面經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)重排，形成了比原來(lái)熱膨脹系數(shù)小的新表面層。

當(dāng)玻璃陶瓷冷卻時(shí)，由于熱膨脹系數(shù)差異，在其表面產(chǎn)生壓應(yīng)力從而使材料得到增強(qiáng)。

　　玻璃陶瓷表面的壓應(yīng)力層可以通過(guò)控制微晶化熱處理制度來(lái)實(shí)現(xiàn)，它使玻璃陶瓷

表面與內(nèi)部產(chǎn)生不同熱膨脹系數(shù)的晶相，當(dāng)玻璃陶瓷冷卻時(shí)，其表面層產(chǎn)生壓應(yīng)力，

由此提高材料強(qiáng)度。如ＬｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系玻璃陶瓷，通過(guò)準(zhǔn)確控制

微晶化工藝參數(shù)，使其表面層形成為β—鋰霞石，而內(nèi)部為β—鋰輝石，β—鋰霞石

比β—鋰輝石熱膨脹系數(shù)小，當(dāng)從結(jié)晶溫度冷卻時(shí)，玻璃陶瓷表面產(chǎn)生壓應(yīng)力而使材

料韌性增強(qiáng)。

采用溫度梯度等方法使晶體定向生長(zhǎng)，也可大幅度提高力學(xué)性能。如以ＣａＯ－Ｐ２

Ｏ５為基的玻璃陶瓷中析出定向微晶，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)６０５ＭＰａ，而且斷裂韌性

也大幅度提高。

二、纖維增韌補(bǔ)強(qiáng)

　　英國(guó)科學(xué)家于上世紀(jì)７０年代初首先制備出Ｃｆ／ＬＡＳ玻璃陶瓷基復(fù)合材料，

其強(qiáng)度達(dá)６８０ＭＰａ，完全可以與同時(shí)期碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料相媲美，使用

溫度要比樹(shù)脂材料高得多。我國(guó)科技工作者也曾制備出相同的復(fù)合材料，詳細(xì)分析研

究了纖維與基體ＢＡＳ界面的物理化學(xué)特性及其合成工藝。

　　纖維增韌玻璃陶瓷的制備工藝采用熱壓工藝。載荷通過(guò)纖維與基體界面實(shí)現(xiàn)從基

體向纖維傳遞，在應(yīng)力作用下，界面出現(xiàn)脫粘、裂紋彎曲、纖維拔出，從而達(dá)到增韌

補(bǔ)強(qiáng)。現(xiàn)在材料科學(xué)界對(duì)界面的研究正成為重要領(lǐng)域，研究取得了明顯進(jìn)展，主要在

以下方面：界面微觀結(jié)構(gòu)的觀察：通過(guò)ＴＥＭ等技術(shù)手段，分析各界面結(jié)合情況，找

到弱界面；界面結(jié)合力測(cè)試：運(yùn)用現(xiàn)代測(cè)試手段，測(cè)試界面結(jié)合力或強(qiáng)度；界面化學(xué)

特性分析：分析纖維與基體界面發(fā)生的化學(xué)變化，解釋弱界面形成的機(jī)理及影響因素；

界面的設(shè)計(jì)：在對(duì)界面充分理解認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，人們已開(kāi)始根據(jù)需要來(lái)“制造”界面。

　　纖維增韌玻璃陶瓷克服了單一材料的不足，達(dá)到了材料的較佳組合。但從目前的

研究情況來(lái)看，還有諸多問(wèn)題需深入研究。如：如何提高纖維與玻璃陶瓷的結(jié)合強(qiáng)度，

使兩者之間形成化學(xué)鍵結(jié)合作用，減少結(jié)合部位性能的不相匹配性，提高材料的適用

性以及改進(jìn)生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本都是需要研究的重要課題。

三、氧化鋯補(bǔ)強(qiáng)增韌

　　利用氧化鋯增韌補(bǔ)強(qiáng)玻璃陶瓷的機(jī)理主要是應(yīng)力誘發(fā)相變?cè)鲰g、裂紋偏轉(zhuǎn)增韌和

微裂紋增韌。制備氧化鋯增韌玻璃陶瓷的方法有：熔融法、燒結(jié)法和溶膠—凝膠法。

　　氧化鋯在玻璃陶瓷的熱處理過(guò)程中，首先析出，以ｔ－ＺｒＯ２的形式存在。如

果氧化鋯晶粒從高溫冷卻下來(lái)時(shí)，就能以穩(wěn)定的ＺｒＯ２的形式保存下來(lái)，并在基體

中儲(chǔ)存了相變彈性壓應(yīng)變能。當(dāng)受到外力作用時(shí)，其體對(duì)氧化鋯壓抑作用松弛，ＺｒＯ２

顆粒就發(fā)生四方到單斜的相轉(zhuǎn)變，并在機(jī)體中引起微裂紋，它吸收了裂紋擴(kuò)展的能量，

削弱或阻止了裂紋的擴(kuò)展，達(dá)到增韌補(bǔ)強(qiáng)的目的。

　　玻璃陶瓷基體中的氧化鋯有時(shí)起不了相變?cè)鲰g作用，如果它不和基體發(fā)生化學(xué)反

應(yīng)，二者之間存在彈性模量及膨脹系數(shù)差異，那么在基體和氧化鋯之間就產(chǎn)生局部應(yīng)

力場(chǎng)。當(dāng)擴(kuò)展裂紋遇到這種局部應(yīng)力場(chǎng)或非開(kāi)裂的氧化鋯顆粒時(shí)，將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)

的凈作用是減少裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力，從而也能有效提高玻璃陶瓷的強(qiáng)度及韌性。

　　如果ｔ－ＺｒＯ２的顆粒尺寸大于自發(fā)相變的臨界尺寸，那么玻璃陶瓷在冷卻到

室溫時(shí)，ｔ－ＺｒＯ２就會(huì)在基體中引發(fā)馬氏體相變并誘發(fā)出眾多微裂紋。在裂紋擴(kuò)

展過(guò)程中，其高等區(qū)域形成的應(yīng)力誘導(dǎo)相變導(dǎo)致了細(xì)小的微裂紋，這些裂紋都可以起

到分散主裂紋高等能量的作用，有效舒緩了裂紋的擴(kuò)展，提高了玻璃陶瓷的斷裂韌性。

　　利用氧化鋯增韌補(bǔ)強(qiáng)玻璃陶瓷要求氧化鋯含量達(dá)到規(guī)定的百分含量。氧化鋯在硅

酸鹽體中的溶解度不大，僅有于３～４ｗｔ％之間。即使在較高的溫度下，氧化鋯溶

解度也不大。如在１７００℃熔制的Ｙ２Ｏ３－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２－ＺｒＯ２的

解較限也僅為１０ｗｔ％。采用熔融法制備玻璃陶瓷時(shí)，氧化鋯的含量不可能太高，

并且提高熔化溫度，氧化鋯在玻璃陶瓷中的增韌效果又受到限制。有學(xué)者采用在配合

料中引入Ｐ２Ｏ５以明顯增加氧化鋯在硅酸鹽熔體中的溶解度，有助提高氧化鋯的增

韌特性。

四、熱壓成型法

　　利用熱壓技術(shù)對(duì)晶化后的玻璃陶瓷進(jìn)行形變處理，工藝過(guò)程簡(jiǎn)便，是制備新型高

強(qiáng)度高韌性玻璃陶瓷的新方法，其制備工藝為：將基礎(chǔ)玻璃料配合均勻，加熱至熔化

溫度保溫２小時(shí)，澄清均化后，澆注成型，得到一定尺寸的玻璃陶瓷制品，在６００℃

下退火，通過(guò)微晶化處理，得到晶化玻璃陶瓷。采用真空熱壓形變工藝，將晶化玻璃

陶瓷放入石墨模具中，在１０００℃下進(jìn)行壓型處理。在熱壓形變過(guò)程中，玻璃相發(fā)生

粘性流動(dòng)，晶體隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生擇優(yōu)取向，其晶面垂直于熱壓方向，增強(qiáng)了對(duì)平行于熱

壓方向的裂紋編轉(zhuǎn)和分叉作用，材料的力學(xué)性能得到顯著提高。

玻璃陶瓷的抗彎強(qiáng)度在熱壓的初始階段隨變形量增加而增加，在某一變形量下達(dá)到峰值，

而其斷裂韌形隨變形量的增加而一直增加。另外，通過(guò)熱壓形變，玻璃陶瓷材料的籌備

結(jié)構(gòu)更致密，氣孔率下降，晶體與玻璃相之間粘結(jié)更牢固，抵抗外力變形的能力更強(qiáng)。

因此，玻璃陶瓷的力學(xué)性能大大提高。

五、溶膠—凝膠涂層法　

　　溶膠—凝膠工藝廣泛應(yīng)用于制備塊體，纖維、薄膜材料。近年來(lái)，已成功地運(yùn)用該

工藝涂層方法來(lái)增強(qiáng)玻璃陶瓷產(chǎn)品。

　　玻璃陶瓷在微晶處理過(guò)程中，在玻璃相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一系列析晶動(dòng)

力，在玻璃陶瓷表面及心部存在大量微孔，隨著晶化溫度提高，微孔孔徑也加大。由于

微孔的存在，那么玻璃陶瓷的力學(xué)性能大幅度下降。而采用溶膠—凝膠涂層浸涂后，較

之未涂前，抗彎強(qiáng)度大大提高。

溶膠制備采用正硅酸乙脂、硅溶膠等富含硅離子的化合物的主要原料，加入醇、去離子

水和催化劑，按一定比例混合，控制溶膠溫度為５０℃，在磁力攪拌器上均勻攪拌５～

１０小時(shí)，即可得到均勻透明的溶膠。將表面經(jīng)過(guò)潔凈處理的玻璃陶瓷采用浸涂提拉法

涂膜，涂膜后入恒溫箱中在４０～６０℃溫度下干燥與５～６小時(shí)，然后在各種溫度下

進(jìn)行熱處理，得到增韌的玻璃陶瓷制品。

　　通過(guò)浸涂溶膠—凝膠涂層經(jīng)熱處理的玻璃陶瓷，它的增韌機(jī)理主要是：玻璃陶瓷在

浸涂過(guò)程中，二氧化硅溶膠粒子能夠進(jìn)入玻璃陶瓷微孔，并通過(guò)微孔滲入到一定的高層度，

填滿(mǎn)或部分填滿(mǎn)微孔與微裂紋。凝膠化后經(jīng)熱處理，在除去溶劑及水分的同時(shí)，凝膠中

的硅氧鍵同殘余玻璃相中的硅氧鍵發(fā)生鍵合使整個(gè)結(jié)構(gòu)更加牢固。另外，溶膠在玻璃陶

瓷表面形成一層致密涂層，使表面斷鍵和懸鍵得到修正，從而使玻璃陶瓷的韌性、強(qiáng)度

從根本上得以提高。