微晶玻璃技術(原著第二版)（簡體書）

《微晶玻璃技術》先介紹了微晶玻璃的組成及性質特點，然後詳細講述了各種微晶玻璃系統和微晶玻璃的微觀結構控制，最後是微晶玻璃在具體領域的應用。書中有許多微晶玻璃技術實例，全面反映了歐美國家最新的微晶玻璃生產技術和進展，具有很強的實用性和參考價值。
《微晶玻璃技術》可供從事無機非金屬材料研究的科研人員、生產技術人員參考，也可作為高等院校相關專業的教學參考書。

前言
從2002年本書第一版出版以來,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,強調在特定的材料系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。
就像第一版一樣,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


第一版前言
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最新的、最先進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,源自云母晶體的可以機械加工的微晶玻璃,有最小熱膨脹性的瓷器,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.微晶玻璃化合物系統；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、電子和建筑應用、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,從第一章開始閱讀。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系,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

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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 現象學 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　微晶玻璃的組成系統/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
2.2.5.3 鎂橄欖石微晶玻璃 85
2.2.6 SiO2-Al2O3-CaO (鈣硅石) 87
2.2.7 SiO2-Al2O3-ZnO (Zn填充的β-石英、硅鋅礦-紅鋅礦) 89
2.2.7.1 Zn填充β-石英微晶玻璃 89
2.2.7.2 硅鋅礦和紅鋅礦微晶玻璃 90
2.2.8 SiO2-Al2O3-ZnO-MgO (尖晶石、鋅尖晶石) 92
2.2.8.1 沒有β-石英的尖晶石微晶玻璃 92
2.2.8.2 β-石英尖晶石微晶玻璃 93
2.2.9 SiO2-Al2O3-CaO (爐渣微晶玻璃) 93
2.2.10 SiO2-Al2O3-K2O (白榴石) 96
2.2.11 SiO2-Ga2O3-Al2O3-Li2O-Na2O-K2O (鋰鋁鎵酸鹽尖晶石) 99
2.2.12 SiO2-Al2O3-SrO-BaO (鍶-長石-鋇長石) 99
2.3 氟硅酸鹽 103
2.3.1 SiO2-(R3+)2O3-MgO-(R2+)O-(R+)2O-F (云母) 103
2.3.1.1 堿金云母微晶玻璃 103
2.3.1.2 無堿金云母微晶玻璃 107
2.3.1.3 四硅云母微晶玻璃 108
2.3.2 SiO2-Al2O3-MgO-CaO-ZrO2-F (云母、氧化鋯) 109
2.3.3 SiO2-CaO-R2O-F硅堿鈣石 110
2.3.4 SiO2-MgO-CaO-(R+)2O-F (角閃石) 114
2.4 磷硅酸鹽 117
2.4.1 SiO2-CaO-Na2O-P2O5 (磷灰石) 117
2.4.2 SiO2-MgO-CaO-P2O5-F (磷灰石,硅灰石) 119
2.4.3 SiO2-MgO-Na2O-K2O-CaO-P2O5 (磷灰石) 120
2.4.4 SiO2-Al2O3-MgO-CaO-Na2O-K2O-P2O5-F (云母、磷灰石) 120
2.4.5 SiO2-MgO-CaO-TiO2-P2O5 (磷灰石、鈦酸鎂) 124
2.4.6 SiO2-Al2O3-CaO-Na2O-K2O-P2O5-F針狀磷灰石 125
2.4.6.1 針狀磷灰石的形成與磷酸鈣鈉的反應同時發生 128
2.4.6.2 從無序球形氟磷灰石晶體中形成針狀磷灰石 131
2.4.7 SiO2-Al2O3-CaO-Na2O-K2O-P2O5-F/Y2O3、B2O3 (磷灰石和白榴石) 132
2.4.7.1 氟磷灰石和白榴石 132
2.4.7.2 氧磷灰石和白榴石 134
2.4.8 SiO2-CaO-Na2O-P2O5-F (磷酸鈣鈉) 136
2.5 鐵硅酸鹽 137
2.5.1 SiO2-Fe2O3-CaO 137
2.5.2 SiO2-Al2O3-FeO-Fe2O3-K2O (云母,鐵酸鹽) 138
2.5.3 SiO2-Al2O3-Fe2O3-(R+ )2O -(R2+ ) O (玄武巖) 140
2.6 磷酸鹽 141
2.6.1 P2O5-CaO (偏磷酸鹽) 141
2.6.2 P2O5-CaO-TiO2 144
2.6.3 P2O5-Na2O-BaO和P2O5-TiO2-WO3 144
2.6.3.1 P2O5-Na2O-BaO系統 144
2.6.3.2 P2O5-TiO2-WO3 系統 145
2.6.4 P2O5-Al2O3-CaO (磷灰石) 145
2.6.5 P2O5-B2O3-SiO2 146
2.6.6 P2O5-SiO2-Li2O-ZrO2 148
2.6.6.1 含有16% (質量分數)ZrO2 的微晶玻璃 149
2.6.6.2 含有20% (質量分數)ZrO2 的微晶玻璃 149
2.7 其他系統 150
2.7.1 鈣鈦礦型微晶玻璃 150
2.7.1.1 SiO2-Nb2O5-Na2O-(BaO) 151
2.7.1.2 SiO2-Al2O3-TiO2-PbO 152
2.7.1.3 SiO2-Al2O3-K2O-Ta2O5-Nb2O5 153
2.7.2 鈦鐵礦型(SiO2-Al2O3-Li2O-Ta2O5)微晶玻璃 153
2.7.3 B2O3-BaFe12O19 (鋇鐵氧體)或者BaFe10O15 (鐵酸鋇) 154
2.7.4 SiO2-Al2O3-BaO-TiO2 (鈦酸鋇) 154
2.7.5 Bi2O3-SrO-CaO-CuO 155

第3章　微觀結構控制/156
3.1 固相反應 156
3.1.1 等化學相變 156
3.1.2 相間反應 157
3.1.3 溶出 157
3.1.4 利用相圖預測微晶玻璃的聚集 157
3.2 微觀結構設計 158
3.2.1 納米晶體微觀結構 158
3.2.2 細胞膜微觀結構 159
3.2.3 海岸線-島狀微觀結構 161
3.2.4 樹枝狀微觀結構 162
3.2.5 殘留微觀結構 165
3.2.6 “卡片屋”結構 165
3.2.6.1 成核反應 166
3.2.6.2 初級晶相形成和云母析出 166
3.2.7 卷心菜頭結構 168
3.2.8 針狀互鎖結構 171
3.2.9 薄片狀雙晶結構 173
3.2.10 晶體優先取向 174
3.2.11 晶體網狀微觀結構 176
3.2.12 天然材料舉例 176
3.2.13 納米晶 178
3.3 關鍵性能的控制 179
3.4 方法和測試 180
3.4.1 化學系統和晶相 180
3.4.2 晶相測定 180
3.4.3 晶體形成的動力學過程 181
3.4.4 微觀結構測定 184
3.4.5 力學、光學、電學、化學和生物學性能 185
3.4.5.1 微晶玻璃的光學性能和化學組成 186
3.4.5.2 微晶玻璃的力學性能和微觀結構 186
3.4.5.3 電學性能 187
3.4.5.4 化學性能 187
3.4.5.5 生物學性能 188

第4章　微晶玻璃的應用/189
4.1 技術應用 189
4.1.1 雷達罩 189
4.1.2 光敏和蝕刻材料 189
4.1.2.1 Fotoform和Fotoceram 190
4.1.2.2 Foturan 193
4.1.2.3 其他產品 195
4.1.3 可加工微晶玻璃 195
4.1.3.1 MACOR和DICOR 195
4.1.3.2 VitronitTM 198
4.1.3.3 PhotoveelTM 198
4.1.4 磁盤基片 199
4.1.5 液晶顯示 201
4.2 日用品應用 202
4.2.1 β-鋰輝石固溶體微晶玻璃 202
4.2.2 石英固溶體微晶玻璃 204
4.3 光學應用 206
4.3.1 望遠鏡 206
4.3.1.1 發展需求 206
4.3.1.2 Zerodur微晶玻璃 206
4.3.2 集成透鏡陣列 208
4.3.3 發光微晶玻璃的應用 210
4.3.3.1 太陽能集光器的Cr摻雜莫來石 210
4.3.3.2 用於可調激光器和光存儲媒介的Cr摻雜尖晶石 212
4.3.3.3 稀土摻雜氟氧化物用於放大、上轉換和量子切割 215
4.3.3.4 鉻(Cr4+)摻雜鎂橄欖石、β-硅鋅礦和其他用於寬波放大的正硅酸鹽 219
4.3.3.5 Ni2+摻雜鎵酸鹽尖晶石用於放大和寬波紅外光源 221
4.3.3.6 用於白色LED的YAG微晶玻璃磷光粉 224
4.3.4 光學元件 225
4.3.4.1 用於光纖布拉格光柵無熱化微晶玻璃 225
4.3.4.2 光學光柵和波導的激光誘導晶化 230
4.3.4.3 光學連接器的微晶玻璃套圈 231
4.3.4.4 可控紅外線吸收和微波敏感性透明ZnO微晶玻璃的應用 232
4.4 醫用和牙科用微晶玻璃 232
4.4.1 醫用微晶玻璃 233
4.4.1.1 CERABONE 233
4.4.1.2 CERAVITAL 235
4.4.1.3 BIOVERIT 235
4.4.2 牙科修復用微晶玻璃 236
4.4.2.1 無金屬修復劑用可模塑微晶玻璃 237
4.4.2.2 無金屬修復劑可加工微晶玻璃 244
4.4.2.3 金屬框架微晶玻璃 246
4.4.2.4 高韌性多晶陶瓷上的微晶玻璃裝飾材料 250
4.5 電子和電學應用 255
4.5.1 絕緣體 255
4.5.2 電子封裝 256
4.5.2.1 發展需求 256
4.5.2.2 性能和工藝 257
4.5.2.3 應用 258
4.6 建筑應用 259
4.7 塗層和焊接 261
4.8 新能源應用 262
4.8.1 鋰電池組成 262
4.8.1.1 負極 262
4.8.1.2 電解質 263
4.8.2 固體氧化物燃料電池的連接材料 263

後記　未來發展方向/264

附錄　23種晶體結構的21張圖/265

參考文獻/278 More