發展史/1



第1章微晶玻璃設計的基本原理/4

1.1 微晶玻璃的優點                                                       4

1.1.1 工藝特性                                                     5

1.1.2 熱學特性                                                     5

1.1.3 光學特性                                                     6

1.1.4 化學特性                                                     6

1.1.5 生物學特性                                                   6

1.1.6 力學特性                                                     6

1.1.7 電學和磁學特性                                               6

1.2 設計因素                                                             7

1.3 晶體結構和礦物學特性                                                 7

1.3.1 硅酸鹽晶體                                                   7

1.3.1.1 島狀硅酸鹽                                             9

1.3.1.2 雙硅酸鹽                                               9

1.3.1.3 環狀硅酸鹽                                             9

1.3.1.4 鏈狀硅酸鹽                                             9

1.3.1.5 層狀硅酸鹽                                             10

1.3.1.6 網狀硅酸鹽                                             10

1.3.2 磷酸鹽                                                       28

1.3.2.1 磷灰石                                                 28

1.3.2.2 正磷酸鹽和磷酸氫鹽                                     29

1.3.2.3 偏磷酸鹽                                               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 均勻成核                                                     35

1.4.2 非均勻成核                                                   36

1.4.3 均勻成核和非均勻成核的動力學                                 37

1.4.4 成核理論在微晶玻璃研發中的應用實例                           39

1.4.4.1 整體成核                                               39

1.4.4.2 表面核化                                               43

1.4.4.3 時間-溫度-轉變(TTT)相圖                               45

1.5 晶體長大                                                             46

1.5.1 初次生長                                                     47

1.5.2 各向異性生長                                                 49

1.5.3 表面生長                                                     53

1.5.4 樹狀和球狀晶化                                               54

1.5.4.1 現像學                                                 54

1.5.4.2 樹狀和球狀晶體的應用                                   56

1.5.5 二次長大                                                     57



第2章微晶玻璃的組成繫統/58

2.1 堿金屬和堿土金屬硅酸鹽                                               58

2.1.1 SiO2-Li2O (二硅酸鋰)                                         58

2.1.1.1 化學計量組成                                           58

2.1.1.2 非化學計量多成分組成                                   60

2.1.2 SiO2-BaO (硅鋇石)                                          68

2.1.2.1 化學計量二硅酸鋇                                       68

2.1.2.2 多組分微晶玻璃                                         69

2.2 鋁硅酸鹽                                                             69

2.2.1 SiO2-Al2O3 (莫來石)                                          69

2.2.2 SiO2-Al2O3-Li2O (β-石英固溶體、β-鋰輝石固溶體)                  71

2.2.2.1 β-石英固溶體微晶玻璃                                     71

2.2.2.2 β-鋰輝石固溶體微晶玻璃                                   74

2.2.3 SiO2-Al2O3-Na2O (霞石)                                      76

2.2.4 SiO2-Al2O3-Cs2O (銫榴石)                                     79

2.2.5 SiO2-Al2O3-MgO (堇青石、頑輝石、鎂橄欖石)                    81

2.2.5.1 堇青石微晶玻璃                                         81

2.2.5.2 頑輝石微晶玻璃                                         84



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前言

從2002年本書版出版以來,微晶玻璃材料的研究和開發進行得如火如荼,取得了很大的進展,本書第二版的目的就是把這些新內容加進來。2002年以來,微晶玻璃發展迅速,且表現出了特殊的光學性能或突出的力學特征(比如高強度和高韌性)。在這一版中,強調在特定的材料繫統中通過控制析晶和晶化來討論這些發展趨勢。基於這一點,本書中的晶相形成反應機理可以讓讀者對無機固體化學有更深入的理解。為了清晰地展現它們的工作原理,作者同時用多種分析方法,對這些晶相的形成過程進行了很多研究,得到了很多晶相形成與初級玻璃相密切相關的重要記錄。通過他們的研究介紹了這些材料特殊的性能和應用。因為其特殊的光學特性和生物活性,書中特別關注微晶玻璃材料在牙科上的應用。同時,也報道了新的含有微晶玻璃和高強度聚晶陶瓷的復合材料,它可以作為新的生物活性材料用於取代人體骨骼。

就像版一樣,本書的第二版是兩位作者親密合作的結晶。在各自寫作時,他們也相互從不同角度熱烈討論相的形成、特性和應用的發展。

W.Hland特別感謝下列人員對本書的學術討論：R.Nesper、F.Krumeich、M.Wrle (他們都來自瑞士科技聯合院,蘇黎世,瑞士)；E.Apel、.Ritzberger、V.M.Rheinberger (Ivoclar Vivadent AG公司,列支敦士登)；R.Brow (密蘇裡大學,美國)；M.Hland (NTB布赫斯應用科技學院,瑞士)；A.Sakamoto (日本電子玻璃有限公司,日本)；J.Deubener (克勞斯塔爾科技大學,德國)和R.Müller (材料研究和測試聯合院,柏林,德國)。感謝S.Fuchs (南非)的翻譯工作。特別感謝C.Ritzberger在本書第二版編輯過程中的經驗指導。

G.H.Beall感謝L.R.Pinckney 無微不至的幫助, 同時感謝D.L.Morse、M.K.Badrinarayan和I.A.Cornejo對康寧公司微晶玻璃研究工作的支持。

我們兩位對A.Hland (烏得勒支大學,荷蘭)表示謝意,感謝他為第二版準備的圖片。



W.Hland

G.H.Beall

沙恩,列支敦士登

康寧,紐約,美國

2012年4月





版前言

現代科學和技術不斷要求具有特殊性能的新材料來實現令人激動的創新。這些發展集中在科技制造和工藝中,意味著操作起來更快,更經濟,質量更好。與此同時,新材料(尤其是在人類醫學和牙科醫學上)也能提高我們的總體生活質量或者美化我們的日常生活,比方說在家務管理方面提供幫助。

在所有這些新材料中,有一類材料擔當著特殊的角色,那就是微晶玻璃材料。

它們提供了多種可能性,結合了傳統陶瓷的特殊性能和玻璃的與眾不同的性質。同時也很有可能發展成一種現代微晶玻璃材料,它們的性能未知,遠遠超過現有的陶瓷或玻璃或其他材料(比如金屬或有機聚合物)。而且,微晶玻璃的發展證明了可以將各種各樣非凡的性能結合在同一種材料之中。

可以舉幾個例子來說明這一點。就像在本書中將要講述的一樣,微晶玻璃材料由至少一種玻璃相和至少一種晶相組成。微晶玻璃的生產是通過控制基礎玻璃的晶化來實現的。這種基礎玻璃生產具有從的、的玻璃生產工藝中受益的可能性,比如鑄造、衝壓、滾壓、拉絲等,都能用於微晶玻璃或溶膠-凝膠法制造的基礎玻璃。

在從基礎玻璃中得到晶相時,可獲得新的令人期待的特性。例如,源自雲母晶體的可以機械加工的微晶玻璃,有小熱膨脹性的瓷器,廚房加熱用的盤子,科學望遠鏡,它們都是β-石英和β-鋰輝石結晶的結果。

另一個新的微晶玻璃材料應用領域是牙科修復或人類醫學的生物材料。新的高強度、非金屬微晶玻璃將取代牙科修復材料。這些例子說明了微晶玻璃在材料領域的多種可能性。並且,有效的材料研發需要控制固相反應過程,而且研發這種材料是一件非常復雜的事情。

我們期望能為那些希望了解更多新的微晶玻璃材料以及它們的科學技術背景或者想用這種材料並從中受益的人做些有益的貢獻。因此,本書也適合學生、科學家、工程師、技術人員使用;同時,也適合作為自然或醫學科學技術的參考書,因為它特別介紹了微晶玻璃這一新的材料及其新的特性。

基於這種想法,本書的前三章,1.微晶玻璃設計的基本原理;2.微晶玻璃化合物繫統；3.微觀結構控制,滿足了作為科技書的要求。第1～3章依次深入介紹了各種不同的微晶玻璃材料,明確指出了材料研究的科學方法,由此寫出第4章關於應用的內容。因此,本書的第四章關注微晶玻璃材料應用的各種可能性,如在科技、消費、光學、醫療、牙科、電學、電子和建築應用、塗層和防護等方面的應用。這一章節的安排就像一本參考書。

從內容來看,本書介於技術專著、教材和參考書三者之間,它包含所有這三種類別的內容,可能吸引世界範圍內更多讀者的關注。由於本書根據不同的重點安排內容,讀者可以用不同的方式來閱讀。例如,材料科學與工程的工程師和學生可以從本書中給出的結構開始,從章開始閱讀。相比之下,牙科醫生或者牙科技術人員可能想要先讀第四章,在那裡他們可以找到牙科微晶玻璃的具體應用。而且,如果他們想要更多地了解這種材料的細節(比如微觀結構、化學組成和晶體等),可以看4.1節、4.2節或者4.3節內容。

我們分別在美國和歐洲進行了研究,由於我們同時與日本科學家們保持密切聯繫,所以“微晶玻璃技術”在微晶玻璃領域的分析和討論可以說是在全世界範圍內進行的。

我們已經在微晶玻璃材料研究和應用領域工作了多年或幾十年,趁此機會向大家介紹我們的研究成果。在與其他科學家或工程師的合作中,我們也受益頗多。

我們對下列為幫助本書出版而提供微晶玻璃研究和開發技術文獻的科學家們表示感謝,他們是：日本的T.Kokubo、J.Abe、M.Wada和T.Kasuga；德國的J.Petzoldt和W.Pannhorst；英國的I.Donald和巴西的E.Zanotto。特別感謝V.Rheinberger (列支敦士登)對本書的貢獻和無數的學術討論,M.Schweiger (列支敦士登)和他的團隊在技術和編輯方面的建議,R.Nesper (瑞士)提供的晶體結構,S.Fuchs (南非)將其翻譯成英語,L.Pinckney (美國)對書稿進行編輯。



W.Hland

G.H.Beall

沙恩,列支敦士登

康寧,紐約,美國

2000年11月