玻璃陶瓷复合材料和研究进展

肖尧 陈世杰

摘 要：自进入21世纪以来，世界各国逐渐将新材料的研究作为国家发展的一个重要方向，其对国家的政治、经济、军事等都具有较大的影响，通过新材料的研究能够使国家在世界舞台上处于更加有利的地位。在所有的新材料研究中，玻璃陶瓷复合材料是一个重要的研究方向，其在日常的工作和生活中具有广泛的应用，通过对玻璃陶瓷复合材料的研究，能够使国家更好的应对目前越来越紧张的自然资源。在本文中，对当前我国的玻璃陶瓷复合材料的研究进展进行了简单的介绍，并对其未来的发展方向和研究方向进行了简单的预测。

关键词：玻璃陶瓷;复合材料;研究发展

所谓的玻璃陶瓷复合材料，其是一种具有较高强度，且能够预防多种化学物质腐蚀和绝缘性质较好的新型无机材料，其结构和性能等和单一的玻璃和陶瓷差别较大，因此，其在日常的使用范围较大，能够胜任多种需求。另外，由于特殊的形成机理，其在形成的过程中内部含有的杂质和气孔更少，内部的密度比一般的材料大，这就使其能够应用在生物材料和电学材料等多个领域，为我国的军事和生物医药等各个领域的发展提供了一个新的方向。

1 玻璃陶瓷复合材料的特点

对于玻璃陶瓷复合材料来说，其在各方面的性能同传统的陶瓷材料相比，具有更大的优势，且由于其是一种复合性材料，对单一陶瓷材料中的一些缺点进行了很好的解决。但传统的陶瓷材料相比，玻璃陶瓷复合材料具有更低的韧性，在使用的过程中，若突然受到较大的力学冲击，往往会出现突然性的断裂，除此之外，其在使用的过程中，由于材料复合时发生了一些特殊的化学和物理反应，导致其和一些工程陶瓷材料相比在强度方面没有较大的优势。因此，当前我国正在逐渐解决该材料中的力学性能改善，通过一些特殊的处理方法，对玻璃陶瓷符合材料的内部结构进行一些改变，使其力学性能得到一定的提升，提高其使用价值。对于材料来说，影响其性能的最主要因素就是其微观结构，同传统的玻璃陶瓷材料相比，玻璃陶瓷复合材料的微观结构发生了一些不同的改变，从而将其内部存在的一些缺陷进行了修补，对材料的整体力学性能进行了较大的提高。

2 玻璃陶瓷复合材料的研究情况

通过较多研究人员的努力，对玻璃陶瓷复合材料的内部微观结构进行了一些特殊处理，从而研究出了一些具有不同力学性能的材料，各自具有的特点使其能够更好的符合某些行业的特殊要求，下面对当前比较常用的几种研究方向进行了简单的介绍：

2.1 纤维增强玻璃陶瓷复合材料

近些年以来，世界各国对玻璃陶瓷复合材料的韧性进行了多种尝试，从而找到了一种新型的解决办法，通过对玻璃陶瓷复合材料中的纤维进行一些修补，能够对玻璃陶瓷复合材料的韧性进行大幅度的提高，从而将其发生断裂的可能性降到最低，甚至能够达到和四氮化三硅的力学性能相媲美。另外，经过该处理的纤维陶瓷复合材料的抗腐蚀性能也得到了较大的提高，能够承受高温的环境冲击，从而使其在市场上具有更广阔的市场。

在20世纪的中后期，Sambell等人经过多年的研究，制备出了碳纤维增强的玻璃陶瓷复合材料，在当时，该材料的韧度得到了最大程度上的提高，甚至在一些性能上超过了当时的其他材料。随后，高积强等人对其进行新型的研究，在此技术的基础上研制出了一种新型的短纤维增强玻璃陶瓷基复合材料，通过对其静疲劳进行研究，发现其在疲劳指数和静疲劳行为上高于传统的陶瓷材料。通过纤维的加入，使传统陶瓷材料的静疲劳得到了较大的提高，从而能够更好的预防裂纹尖端的扩展。

在最近一些年，科学家发现晶须具有高强度等众多优点，从而考虑将其加入到玻璃陶瓷复合材料中，进一步提高玻璃陶瓷复合材料的各项性能。随后相关科学家开始了各种尝试，研制出了一批具有更优性能的新型纤维玻璃陶瓷复合材料，为材料行业的发展提供了更多的技术支持。

2.2 牙科用玻璃陶瓷复合材料

复合材料应用于生物医学是20世纪新兴的一种高新技术，在该行业中对复合材料提出了一些特殊的要求，保证其在性能上满足生物体的要求。目前，生物材料已经有一部分应用在实践中，并取得了一定的成功，但由于这一技术的发展时间较短，还存在着很多的不足需要解决。目前，比较主要的问题有以下几点：首先是生物陶瓷材料在使用时，由于其自身存在的惰性，导致其在使用的过程中难以满足病人的生活需求，另外，对于某些特殊的生物材料，其在使用的过程中强度往往很难满足人们的需求，且由于其脆性相比于人类自身的某些组织结构较高，导致在使用的过程中经常出现一些损伤，但却没有自动修复的功能，在使用一段时间后必须更换。最后是生物材料应用在牙科治疗中，其往往很难和真正的牙齿一样具有色调修复功能，从而影响病人使用的美观要求等。

通过研究，科学家发现二氧化锆具有非常优良的力学性能，另外，其本身还具有非常好的相变性能，在一定条件下能够发生颜色的改变。该材料本身的颜色是淡黄色，这和牙齿的颜色具有较大的相似性，然后科学家将这种材料加入到玻璃陶瓷复合材料中，然后通过一些特殊的处理方法，将其制成具有高强度和高韧性的牙科材料。该材料无论是外形、颜色还是力学性能上，都能满足当前人类的生活需求，因此，是当前比较常见的一种牙科修复美容材料。此外，还有一种钙铝硅锌玻璃陶瓷，这是一种将玻璃作为基体的新型玻璃陶瓷，由于其结构主要是由链状结构硅酸盐组成，能够在材料内部形成具有交叉效果的网状体，这种材料结构使其能够承受更强的力学冲击，且对于一些腐蚀性的物质具有更强的抗性等，根据这些优势，使其在牙科中的应用前景非常广阔。

玻璃陶瓷是一种修复牙科疾病的重要材料，由于其材料的质感和美感等同牙齿具有较高的相似度，因此，是最受牙病患者喜爱的修复材料。然而，由于陶瓷类的材料在进行加工的过程中，其具有较高的硬度，在进行加工时很难满足用户的需求，而人体的牙齿形状各不相同，这就为陶瓷类材料的使用产生了严重的影响。在1972年，著名的科学家Crossman成功发明了一种能够进行切削的新型玻璃陶瓷复合材料，这种材料能够通过简单的车床对其进行直接的切割加工，对玻璃陶瓷复合材料在牙科中的应用取得了重要的突破，大大加快了生物材料的发展进程。

2.3 玻璃陶瓷/金属复合材料

这也是一种新型的复合型材料，在原有的玻璃陶瓷复合材料的基础上，添加一些特殊的金属材料，使其能够具有两者的共同优点，像陶瓷材料的装饰效果和金属的易加工性等，这两种材料的结合，为人类的生活水平的提高创造了更好的条件。

对这两种材料的复合，需要对以下几点因素进行考虑，分别是热处理时的温度和时间的控制，然后是金属表面的氧化程度等，这些因素对复合材料的各项性能具有直接的影响，因此，是制备玻璃陶瓷/金属复合材料需要重点解决的问题。玻璃陶瓷的组成成分对其晶相的种类和含量等具有非常大的影响，因此，为了保证复合材料的各项性能满足生产和生活的需要，需要对玻璃陶瓷复合材料的内部结构以及组成成分等进行细致的研究。随后，著名科学家郑伟宏等人对玻璃陶瓷和金属的复合过程进行了认真的检测和对比，发现氧化锌和氧化铝在复合材料中的质量比例超过1时，复合后的材料能够具有更优的性能，且两种材料的结合效果也能得到较大的提升。然后，对于金属表面的处理和氧化程度，郑伟宏等人通过SEM等技术进行微观探测后发现，其对复合后的材料效果影响较大，在复合之前对金属的表面进行清洗或者氧化等措施，能够大大提高两种材料的结合效果。一般的表面清洗采用的是有机溶剂，然后通过500℃的高温处理，使两种材料形成牢固的结合。

3 结语

目前，对于玻璃陶瓷复合材料的研究已经取得了巨大的进步，很多的玻璃陶瓷复合材料已经投入到正常的生产中，为人们的生活水平的提高创造了更好的条件。但其中仍然存在着一些问题需要解决，为了提高我国玻璃陶瓷复合材料的使用性能，需要相关工作人员加强研究。

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