玻璃陶瓷復合材料和研究進展

肖堯 陳世杰

摘 要：自進入21世紀以來，世界各國逐漸將新材料的研究作為國家發展的一個重要方向，其對國家的政治、經濟、軍事等都具有較大的影響，通過新材料的研究能夠使國家在世界舞臺上處于更加有利的地位。在所有的新材料研究中，玻璃陶瓷復合材料是一個重要的研究方向，其在日常的工作和生活中具有廣泛的應用，通過對玻璃陶瓷復合材料的研究，能夠使國家更好的應對目前越來越緊張的自然資源。在本文中，對當前我國的玻璃陶瓷復合材料的研究進展進行了簡單的介紹，并對其未來的發展方向和研究方向進行了簡單的預測。

關鍵詞：玻璃陶瓷;復合材料;研究發展

所謂的玻璃陶瓷復合材料，其是一種具有較高強度，且能夠預防多種化學物質腐蝕和絕緣性質較好的新型無機材料，其結構和性能等和單一的玻璃和陶瓷差別較大，因此，其在日常的使用范圍較大，能夠勝任多種需求。另外，由于特殊的形成機理，其在形成的過程中內部含有的雜質和氣孔更少，內部的密度比一般的材料大，這就使其能夠應用在生物材料和電學材料等多個領域，為我國的軍事和生物醫藥等各個領域的發展提供了一個新的方向。

1 玻璃陶瓷復合材料的特點

對于玻璃陶瓷復合材料來說，其在各方面的性能同傳統的陶瓷材料相比，具有更大的優勢，且由于其是一種復合性材料，對單一陶瓷材料中的一些缺點進行了很好的解決。但傳統的陶瓷材料相比，玻璃陶瓷復合材料具有更低的韌性，在使用的過程中，若突然受到較大的力學沖擊，往往會出現突然性的斷裂，除此之外，其在使用的過程中，由于材料復合時發生了一些特殊的化學和物理反應，導致其和一些工程陶瓷材料相比在強度方面沒有較大的優勢。因此，當前我國正在逐漸解決該材料中的力學性能改善，通過一些特殊的處理方法，對玻璃陶瓷符合材料的內部結構進行一些改變，使其力學性能得到一定的提升，提高其使用價值。對于材料來說，影響其性能的最主要因素就是其微觀結構，同傳統的玻璃陶瓷材料相比，玻璃陶瓷復合材料的微觀結構發生了一些不同的改變，從而將其內部存在的一些缺陷進行了修補，對材料的整體力學性能進行了較大的提高。

2 玻璃陶瓷復合材料的研究情況

通過較多研究人員的努力，對玻璃陶瓷復合材料的內部微觀結構進行了一些特殊處理，從而研究出了一些具有不同力學性能的材料，各自具有的特點使其能夠更好的符合某些行業的特殊要求，下面對當前比較常用的幾種研究方向進行了簡單的介紹：

2.1 纖維增強玻璃陶瓷復合材料

近些年以來，世界各國對玻璃陶瓷復合材料的韌性進行了多種嘗試，從而找到了一種新型的解決辦法，通過對玻璃陶瓷復合材料中的纖維進行一些修補，能夠對玻璃陶瓷復合材料的韌性進行大幅度的提高，從而將其發生斷裂的可能性降到最低，甚至能夠達到和四氮化三硅的力學性能相媲美。另外，經過該處理的纖維陶瓷復合材料的抗腐蝕性能也得到了較大的提高，能夠承受高溫的環境沖擊，從而使其在市場上具有更廣闊的市場。

在20世紀的中后期，Sambell等人經過多年的研究，制備出了碳纖維增強的玻璃陶瓷復合材料，在當時，該材料的韌度得到了最大程度上的提高，甚至在一些性能上超過了當時的其他材料。隨后，高積強等人對其進行新型的研究，在此技術的基礎上研制出了一種新型的短纖維增強玻璃陶瓷基復合材料，通過對其靜疲勞進行研究，發現其在疲勞指數和靜疲勞行為上高于傳統的陶瓷材料。通過纖維的加入，使傳統陶瓷材料的靜疲勞得到了較大的提高，從而能夠更好的預防裂紋尖端的擴展。

在最近一些年，科學家發現晶須具有高強度等眾多優點，從而考慮將其加入到玻璃陶瓷復合材料中，進一步提高玻璃陶瓷復合材料的各項性能。隨后相關科學家開始了各種嘗試，研制出了一批具有更優性能的新型纖維玻璃陶瓷復合材料，為材料行業的發展提供了更多的技術支持。

2.2 牙科用玻璃陶瓷復合材料

復合材料應用于生物醫學是20世紀新興的一種高新技術，在該行業中對復合材料提出了一些特殊的要求，保證其在性能上滿足生物體的要求。目前，生物材料已經有一部分應用在實踐中，并取得了一定的成功，但由于這一技術的發展時間較短，還存在著很多的不足需要解決。目前，比較主要的問題有以下幾點：首先是生物陶瓷材料在使用時，由于其自身存在的惰性，導致其在使用的過程中難以滿足病人的生活需求，另外，對于某些特殊的生物材料，其在使用的過程中強度往往很難滿足人們的需求，且由于其脆性相比于人類自身的某些組織結構較高，導致在使用的過程中經常出現一些損傷，但卻沒有自動修復的功能，在使用一段時間后必須更換。最后是生物材料應用在牙科治療中，其往往很難和真正的牙齒一樣具有色調修復功能，從而影響病人使用的美觀要求等。

通過研究，科學家發現二氧化鋯具有非常優良的力學性能，另外，其本身還具有非常好的相變性能，在一定條件下能夠發生顏色的改變。該材料本身的顏色是淡黃色，這和牙齒的顏色具有較大的相似性，然后科學家將這種材料加入到玻璃陶瓷復合材料中，然后通過一些特殊的處理方法，將其制成具有高強度和高韌性的牙科材料。該材料無論是外形、顏色還是力學性能上，都能滿足當前人類的生活需求，因此，是當前比較常見的一種牙科修復美容材料。此外，還有一種鈣鋁硅鋅玻璃陶瓷，這是一種將玻璃作為基體的新型玻璃陶瓷，由于其結構主要是由鏈狀結構硅酸鹽組成，能夠在材料內部形成具有交叉效果的網狀體，這種材料結構使其能夠承受更強的力學沖擊，且對于一些腐蝕性的物質具有更強的抗性等，根據這些優勢，使其在牙科中的應用前景非常廣闊。

玻璃陶瓷是一種修復牙科疾病的重要材料，由于其材料的質感和美感等同牙齒具有較高的相似度，因此，是最受牙病患者喜愛的修復材料。然而，由于陶瓷類的材料在進行加工的過程中，其具有較高的硬度，在進行加工時很難滿足用戶的需求，而人體的牙齒形狀各不相同，這就為陶瓷類材料的使用產生了嚴重的影響。在1972年，著名的科學家Crossman成功發明了一種能夠進行切削的新型玻璃陶瓷復合材料，這種材料能夠通過簡單的車床對其進行直接的切割加工，對玻璃陶瓷復合材料在牙科中的應用取得了重要的突破，大大加快了生物材料的發展進程。

2.3 玻璃陶瓷/金屬復合材料

這也是一種新型的復合型材料，在原有的玻璃陶瓷復合材料的基礎上，添加一些特殊的金屬材料，使其能夠具有兩者的共同優點，像陶瓷材料的裝飾效果和金屬的易加工性等，這兩種材料的結合，為人類的生活水平的提高創造了更好的條件。

對這兩種材料的復合，需要對以下幾點因素進行考慮，分別是熱處理時的溫度和時間的控制，然后是金屬表面的氧化程度等，這些因素對復合材料的各項性能具有直接的影響，因此，是制備玻璃陶瓷/金屬復合材料需要重點解決的問題。玻璃陶瓷的組成成分對其晶相的種類和含量等具有非常大的影響，因此，為了保證復合材料的各項性能滿足生產和生活的需要，需要對玻璃陶瓷復合材料的內部結構以及組成成分等進行細致的研究。隨后，著名科學家鄭偉宏等人對玻璃陶瓷和金屬的復合過程進行了認真的檢測和對比，發現氧化鋅和氧化鋁在復合材料中的質量比例超過1時，復合后的材料能夠具有更優的性能，且兩種材料的結合效果也能得到較大的提升。然后，對于金屬表面的處理和氧化程度，鄭偉宏等人通過SEM等技術進行微觀探測后發現，其對復合后的材料效果影響較大，在復合之前對金屬的表面進行清洗或者氧化等措施，能夠大大提高兩種材料的結合效果。一般的表面清洗采用的是有機溶劑，然后通過500℃的高溫處理，使兩種材料形成牢固的結合。

3 結語

目前，對于玻璃陶瓷復合材料的研究已經取得了巨大的進步，很多的玻璃陶瓷復合材料已經投入到正常的生產中，為人們的生活水平的提高創造了更好的條件。但其中仍然存在著一些問題需要解決，為了提高我國玻璃陶瓷復合材料的使用性能，需要相關工作人員加強研究。

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