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

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

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，可以運用成熟的玻璃生產(chǎn)工藝來提高生產(chǎn)效率。因此，

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

料。

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

無疑將拓寬玻璃陶瓷的使用范圍，使其能在機械、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，使其補強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)資料簡介玻璃陶瓷補強增韌采用的方法、增韌機理及工藝特點。

一、通過調(diào)整組成優(yōu)化工藝增韌補強

　　玻璃陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)對力學(xué)性能有非常大影響，可以通過控制結(jié)構(gòu)來改善其強度和

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

石英、藍寶石、尖晶石而形成，它從晶界處生長，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

性和抗彎強度大大提高。

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

右，結(jié)構(gòu)中的ｓｉ－Ｎ鍵強度，致密性強，使材料的強度、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離子交換法來達到增強的目的。該方法是在一定溫度下，使玻璃

陶瓷與熔鹽或鹽類接觸，玻璃陶瓷表面的堿金屬離子與外來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，形成了比原來熱膨脹系數(shù)小的新表面層。

當(dāng)玻璃陶瓷冷卻時，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。

　　玻璃陶瓷表面的壓應(yīng)力層可以通過控制微晶化熱處理制度來實現(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，其表面層產(chǎn)生壓應(yīng)力，

由此提高材料強度。如ＬｉＯ２－Ａｌ２Ｏ３－ＳｉＯ２系玻璃陶瓷，通過準(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，玻璃陶瓷表面產(chǎn)生壓應(yīng)力而使材

料韌性增強。

采用溫度梯度等方法使晶體定向生長，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，其抗彎強度可達６０５ＭＰａ，而且斷裂韌性

也大幅度提高。

二、纖維增韌補強

　　英國科學(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，

其強度達６８０ＭＰａ，完全可以與同時期碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料相媲美，使用

溫度要比樹脂材料高得多。我國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。載荷通過纖維與基體界面實現(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，從而達到增韌

補強。現(xiàn)在材料科學(xué)界對界面的研究正成為重要領(lǐng)域，研究取得了明顯進展，主要在

以下方面：界面微觀結(jié)構(gòu)的觀察：通過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)合力測試：運用現(xiàn)代測試手段，測試界面結(jié)合力或強度；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理及影響因素；

界面的設(shè)計：在對界面充分理解認(rèn)識的基礎(chǔ)上，人們已開始根據(jù)需要來“制造”界面。

　　纖維增韌玻璃陶瓷克服了單一材料的不足，達到了材料的較佳組合。但從目前的

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

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、氧化鋯補強增韌

　　利用氧化鋯增韌補強玻璃陶瓷的機理主要是應(yīng)力誘發(fā)相變增韌、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時，就能以穩(wěn)定的ＺｒＯ２的形式保存下來，并在基體

中儲存了相變彈性壓應(yīng)變能。當(dāng)受到外力作用時，其體對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，并在機體中引起微裂紋，它吸收了裂紋擴展的能量，

削弱或阻止了裂紋的擴展，達到增韌補強的目的。

　　玻璃陶瓷基體中的氧化鋯有時起不了相變增韌作用，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。當(dāng)擴展裂紋遇到這種局部應(yīng)力場或非開裂的氧化鋯顆粒時，將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)

的凈作用是減少裂紋擴展的動力，從而也能有效提高玻璃陶瓷的強度及韌性。

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

展過程中，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展，提高了玻璃陶瓷的斷裂韌性。

　　利用氧化鋯增韌補強玻璃陶瓷要求氧化鋯含量達到規(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，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)對晶化后的玻璃陶瓷進行形變處理，工藝過程簡便，是制備新型高

強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，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℃下進行壓型處理。在熱壓形變過程中，玻璃相發(fā)生

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

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。

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，已成功地運用該

工藝涂層方法來增強玻璃陶瓷產(chǎn)品。

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

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，即可得到均勻透明的溶膠。將表面經(jīng)過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，然后在各種溫度下

進行熱處理，得到增韌的玻璃陶瓷制品。

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

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

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

從根本上得以提高。