陶瓷和玻璃.docx
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陶瓷和玻璃
玻璃陶瓷选论
罗传峰
玻璃
一、名词解释：
非桥氧；硼氧反常性；转变温度区；桥氧；混合碱效应；硼反常性
答：
非桥氧：
仅与一个成网离子相键连，而不被两个成网多面体所共的氧离子则为非桥氧。
硼氧反常性：
在一定范围内，碱金属氧化物提供的氧，不像在熔融石英玻璃中作为非桥氧出现于结构中，而是使硼氧三角体（B03）转变成为完全由桥氧组成的硼氧四面体，导致B203玻璃从原来两度空间的层状结构部分转变为三度空间的架状结构，从而加强了网络，使玻璃的各种物理性质，与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，相应地向着相反的方向变化，这就是所谓硼氧反常性。
转变温度区：
玻璃熔体自高温逐渐变冷却时，要通过一个过渡温度区，在此区域内玻璃从典型的液体状态，逐渐转变为具有固体各项性质的物体。
这一区域称之为转变温度区。
桥氧：
玻璃网络中作为两个成网多面体所共有顶角的氧离子，即起“桥梁”作用的氧离子。
混合碱效应：
在二元碱玻璃中，当玻璃中碱金属氧化物的总含量不变，用一种碱金属氧化物逐步取代另一种时，玻璃的性质不是呈直线变化，而是出现明显的极值。
这一效应叫做混合碱效应。
硼反常性：
在钠硅酸盐玻璃中加入氧化硼时，往往在性质变化曲线中产生极大值和极小值，这现象也称为硼反常性。
二、问答题：
1、简述玻璃结构中阳离子的分类，及其在玻璃结构中的作用。
答：
按元素与氧结合的单键能的大小和能否形成玻璃，分为三类：
网络生成体氧化物：
能单独生成玻璃，在玻璃结构中能形成各自特有的网络体系。
网络外体氧化物：
不能单独生成玻璃，当阳离子M电场强度较小时，断网作用，电场强度较大时积聚作用。
中间体氧化物：
当配位数≥6时，阳离子处于网络之外，与网络外体作用相似；当配位数为4时能参加网络起网络生成体作用。
2、简述玻璃在Tg—Tf范围内及其附近的结构变化情况。
答：
在Tg—Tf范围内及其附近结构变化中可以从三个温度范围说明：
以上，粘度小，质点流动层扩散速度快，结构变化快，瞬间可达平衡。
以下，玻璃基本上已经转化为具有弹性以及脆性等特点的固态物体，此温度范围内结构变化远远落后于温度变化。
—Tf范围:
粘度介于上述二者之间，质点可适当移动，构造状态趋向平衡所需时间较短。
此时温度范围决定了玻璃结构状态以及结构灵敏性能。
3、逆性玻璃中，“逆性”的含义是什么？
答：
1在结构上，一般玻璃的结构以玻璃形成物为主体，金属离子处于网络的空穴中，它仅起补网作用，逆性玻璃与通常玻璃是相逆的，即决定玻璃聚结程度的不是多面体之间的连接，而是金属离子多面体短链中氢离子的结合。
2逆性玻璃在性质上也发生逆转性，一般玻璃的性质是随SiO2的减少而降低，在逆性玻璃中则相反，碱金属和碱土金属含量越多，结构越强固，而某些物理性质都向玻璃的相反方向变化。
第六章玻璃的化学稳定性
1、试述水、酸、碱、大气对玻璃的侵蚀过程。
答：
1水，水对玻璃的侵蚀开始于水中的H+和玻璃中的Na+离子进行交换，通过反应间接破坏硅氧骨架，并且水分子也可以直接破坏硅氧骨架，从而造成对玻璃的侵蚀，但是产物硅酸凝胶会减低侵蚀的速度。
2酸，酸对玻璃的侵蚀是通过水的作用侵蚀玻璃，产物金属氢氧化物要受到酸的中和。
中和作用起着两种相反的效果，一是使玻璃和水溶液之间的离子交换反应加速进行，从而增加玻璃的失重，二是降低溶液的pH值，使硅酸凝胶Si（OH）4的溶解度减小，从而减少玻璃的失重。
3碱，第一阶段：
碱溶液中的阳离子吸附在玻璃表面上；第二阶段：
由于阳离子有束缚其周围OH-离子的作用，当阳离子吸附在玻璃表面的同时，玻璃表面附近的OH-离子浓度相应增高，起着“攻击”和“断裂”玻璃表面硅氧键的作用；第三阶段：
-Si-O-Si-骨架破坏后，产生-Si-O-群，最后变成了硅酸离子。
4大气，前期相当于水溶液的侵蚀，后期由于PH值升高，相当于碱的侵蚀。
2、玻璃容器产生脱片的原因是什么？
答：
玻璃容器产生拖片的原因如下：
1玻璃表面层中，可溶性成分溶出后，由于不溶性的高硅氧残存的薄膜的脱离2原溶液存在（或从玻璃中溶出）的多价金属离子，在玻璃表面形成硅酸盐薄膜后脱离。
3、影响玻璃强度的因素有哪些？
答：
化学键强度、微不均匀性、结构缺陷、微裂纹、外界条件如温度、活性介质、疲劳等。
化学键对玻璃强度的影响：
指键强和单位体积内键的数目对强度的影响。
对硅酸盐玻璃来说，桥氧与非桥氧所形成的键，其强度是不同的，就非桥氧离子来讲，碱土金属和碱金属的键强也不一样，单位体积内的键数也即与结构网的疏密程度，结构网稀强度越低。
微不均匀性对强度的影响：
结构的微不均匀性降低了玻璃的强度。
由于分相而行成的两相交界面上形成裂纹核，因为微相与微相之间结合力比较薄弱，并且两项成分不同，膨胀不一样，产生应力以至于强度下降。
表面裂纹对强度的影响：
在拉丝过程中，表面微裂纹被火焰容去，并且在冷却过程中表面产生了压应力，从而强化了表面使强度增加。
缺陷对强度的影响：
宏观缺陷常常因为成分与玻璃主体不一致而造成内应力，围观缺陷常常在宏观缺陷的地方集中，从而导致了裂纹严重影响玻璃强度。
活性介质可能渗入裂纹是裂纹扩展与玻璃起反应式结构破坏。
低温与高温对玻璃强度的影响不同，玻璃强度随温度升高而降低。
第一章
1.如何提高瓶罐的机械强度和热稳定性？
答：
为了提高瓶罐的机械强度和热稳定性，将玻璃瓶进行钢化处理和离子交换处理，瓶罐由制瓶机取出后，立即送入马弗式钢化炉内均匀加热到接近玻璃的软化温度，然后转入钢化室，用多孔喷嘴向瓶罐内外喷射冷却空气，使瓶罐快速冷却得到均匀的压应力分布。
而离子交换又称为化学钢化处理，通常是将瓶罐置于熔融的硝酸钾中，使离子半径较大的K置换玻璃中离子半径较小的Na，表面发生压挤，从而形成均匀的压应力，使瓶罐强度提高。
2.简述金属胶体着色的过程。
答：
1金属离子的溶解。
金属离子充分溶解于玻璃熔体之中是金属胶体着色的前提。
2金属离子的还原，在高温下，铜银金都以离子状态存在于玻璃中，必须把金属离子还原成金属原子。
热还原法，光化学还原法3、金属离子的成核长大：
金属离子还原成原子状态后，必须进行适当的热处理，使分散在玻璃中的金属原子聚集，成核并长大成为胶体。
必须指出，在热处理过程中，金属颗粒常常由于成长过大，而使玻璃发生乳浊现象。
第五章仪器玻璃
1、对仪器玻璃的要求主要有哪些？
答：
1良好的抗化学抗蚀性，抗化学侵蚀性是仪器玻璃的最主要要求，如果仪器玻璃抗化学侵蚀性不好，不但会使化学药品变质，分析结果不准确，还会造成严重事故。
2抗热冲击性好，指玻璃对冷热急变的抵抗能力，3机械性能好，要求玻璃机械强度高、弹性好、脆性低、使用时不易损坏同时也要求玻璃硬度高不易产生划痕。
4使用温度高，要求玻璃有较高的软化温度，以保证较高温度下使用不会产生变形。
5良好的工艺性能，这就包括以下方面：
a析晶温度范围下，经反复加热不会析晶，b玻璃与各种气氛火焰接触后不会变质c料性长，也就是粘度在100帕至1000000帕秒之间的温度范围较大，以便于进行各种复杂形状制品的成型和灯工加工。
影响保温品保温效果的因素有哪些?
1排气的温度不符合规定，2石棉粒吸附的水分在干燥时未完全排除。
3镀银质量不良，4瓶口不圆，5应力集中，6石棉粒影响。
2、高硅氧玻璃的制造原理是什么？
答：
高硅氧玻璃是利用Si02—B203—Na20玻璃组成的B区易于分相的特点来制造的。
选取B区域中适当组成，按一般玻璃生产方法制出半成品。
将其在600℃左右热处理一段时间后使其分相，分相后这种玻璃就分离为高Na20—B203相和高Si02相。
玻璃分相后经退火处理，而后用酸溶液与Na20—B203相反应。
反应产生的生成物用弱碱和清水洗去，此时制品就成为高Si02相的多孔质玻璃了。
此后再经1200℃左右的烧结，即可制成高硅氧玻璃制品。
3、如何防止高硼硅仪器玻璃的分相？
答：
1选择良好的化学成分，B2O3含量小于13%，Na2O含量小于6%,Al2O3含量小于2%时，玻璃分相倾向下，尤其Al2O3有强烈抑制分相的作用，2确定良好的热处理方法，最高退火温度不高于580°C，保温时间不超过20分钟，反复退火次数不能超过两次。
影响保温瓶效果的因素：
1排气的温度不符合规定，2石棉粒吸附的水分在干燥时未完全排除3镀银质量不良4瓶口不圆5应力集中6石棉粒影响。
第六章光学玻璃
1、对光学玻璃有些什么基本要求？
答：
1、特定的光学常数和同一批玻璃的光学常数的一致性。
2、高度的透明性。
3、高度的物化均匀性。
4、一致的化学稳定性。
5、一定的热性质及机械性质。
2、什么是选择性吸收型玻璃、截止型玻璃、中性（暗色）玻璃？
答：
1选择性吸收型玻璃，此类玻璃只透过或吸收某一个或某几个波段的光。
2截止型玻璃，这类玻璃在某一波段上“截止”，即小于此波长的光不透过，大于此波长的光，透过率迅速上升到最大值。
这个波长通常称为截短波极限。
3中性（暗色）玻璃，此类玻璃对可见光各波段能无选择地均匀吸收，呈暗灰色。
第七章微晶玻璃
1、试述微晶玻璃的强化方法。
答：
1表面涂层。
在具有膨胀系数的微晶玻璃表面，用膨胀系数低的玻璃在高温下涂盖一薄层，冷却以后，因两者膨胀系数的差别，涂层产生压应力，微晶玻璃本体产生张应力，涂层的压应力将提高制品的强度，强度可提高2-4倍，这种方法只适合用于膨胀系数大的微晶玻璃。
2离子交换，离子交换可以在熔融盐液中进行，也可以在盐的气体中进行，使玻璃中离子与盐中粒径大的离子交换,从而在微晶玻璃表面产生应压力层起强化作用.用于离子交换的盐类一般常用的有氯化钾、硝酸钾、硝酸钠、硫酸钠、硫酸锂等，离子交换的温度在550~850℃，交换时间为4~48小时。
2、简述微晶玻璃核化与晶化的基本原理。
答：
微晶玻璃结晶过程中的核化和晶化，多数是属于非晶相核化和非晶相晶化的类型。
其基本原理是：
加入玻璃配料中的成核剂，在玻璃熔至过程中，均匀的溶解于熔融体中，当玻璃出子啊析晶温度区间时，成核剂能降低玻璃晶相生成所需要的能量，核化就可以在较低温度下进行。
（特点是核化与晶化在整个玻璃体中均匀进行，新晶相在成核剂上附析，长大成为细小的晶体）
陶瓷
1.氧化铝陶瓷制备时，原料必须进行预烧，预烧的目的是什么，怎么进行预烧？
答：
预烧可使γ-Al2O3全部变成α-Al2O3减少烧成收缩。
因为由γ-Al2O3向α-Al2O3转化，伴随有13%的体积收缩。
此外预烧还可以排除氧化铝原料中的氧化钠，提高原料的纯度及产品质量。
工业Al2O3预烧通常要加入适量的添加剂物，如H3BO3、NH4F、AlF3等，加入量一般为%～3%。
预烧质量与预烧温度有关。
预烧温度偏低，就不能完全转变成α-Al2O3，若预烧温度过高，就发生烧结，不易粉碎，且活性降低。
采用H3BO3添加物，预烧温度在1400～14500C左右，保温在2～3h。
如果采用NH4F添加物，则预烧温度为12500C，保温1～2h此外，气氛对Al2O3预烧质量影响也很大。
温度在14500C以下，在不同气氛中预烧Al2O3，其中Na2O的含量也不相同。
2.生物陶瓷材料必须具备哪些条件？
答：
⑴生物相容性；⑵力学相容性；⑶与生物组织有优异的亲和性；⑷抗血栓；⑸灭菌性；⑹具有很好的物理、化学稳定性。
3.制取多孔性的磷酸三钙降解材料有哪些方法？
答：
磷酸三钙晶体的制备方法目前主要有沉淀法、固相反应法、醇化合物法、前躯体法等。
4.吸收性生物陶瓷应具备哪些特点？
答：
性能优良的吸收性生物陶瓷应具备：
溶解作用可由正常的新陈代谢过程所控制。
能在合适的时间内完成特定的功能要求。
其吸收过程不会显着地妨碍被正常的健康组织所取代的过程等特点。
5.为了保证透明陶瓷的透光性，应采取什么必要的措施？
答：
为了保证透明陶瓷的透光性，应采取如下一些必要措施：
1采用高纯原料，如生产透明氧化铝，其原料个A1203的含量不得低于99．9％；
2适当的转相（或顶烧）温度，若转相温度过高，则活性降低，影响产品烧成时的准确烧结，若转相温度过低，转相或合成不完全。
3充分排除气孔；
4细粒化，加入适当的添加剂以抑制晶粒长大；
5热压烧结，采用热压烧结技术，所得制品可基太上排除气泡，接近理论密度。
6.要使陶瓷具有透光性，必须具备什么条件？
答：
1高密度，尽可能接近理论密度。
2晶界处无气孔和空洞，或其此尺寸比入射的可见光波长小的多，即使发生散射现象，因其所引起的损失也很轻微。
3晶界处无杂质和玻璃相或它们与主晶相的光学性质差别很小。
4晶粒细小、尺寸接近单一，晶粒内无气泡封入。
7.碳化硅陶瓷很难烧结，通常采用的烧结方法有那些？
答：
1反应烧结2热压烧结3无压烧结4热等静压烧结等
8.氮化物陶瓷的制造工艺有哪几种？
答：
硅粉直接氮化法二氧化硅还原氮化法硅亚氨热分解法化学气相沉淀法
9.多孔陶瓷材料应具备什么特点？
答：
（1）气孔率高。
（2）强度高。
（3）物理和化学性质稳定。
（4）过滤精度高，再生性能好。
10.多孔陶瓷的形成机理是什么？
答：
（1）利用骨料颗粒的堆积，粘接形成多孔陶瓷。
多孔陶瓷形成过程中，传质过程是不连续的。
骨料颗粒间的连接主要有以下两种方式：
①依靠添加与其组分相同的微细颗粒，利用其易于烧结的特点，在一定的温度下，将大颗粒连接起来。
②使用一些添加剂，它们在高温下或能生成膨胀系数和化学组分与骨料相匹配又能与骨料相浸润的液相，或是能与骨料间发生固相反应将骨料颗粒连接。
（2） 利用可燃尽的多孔载体吸附陶瓷料浆，而后在高温下燃尽载体材料而形成孔隙结构。
（3）利用某些外加剂在高温下燃尽或挥发而在陶瓷体中留下孔隙。
通常由颗粒堆积而形成的多孔陶瓷的气孔率的实际范围为25％~35％，因此在需要高气孔率的情况下，往往在配料中加入碳粉、碳黑等。
这些物质在高温下燃烧挥发而留下孔隙。
（4）利用材料的热分解、相变、离析而形成小孔隙。
11.按照磁化率的大小可将固体的磁性分成几类？
答：
抗磁性，顺磁性，铁磁性，反铁磁性，亚铁磁性
12.溶胶—凝胶法制备陶瓷薄膜的基本原理是什么？
答：
制备陶瓷薄膜时，用甩胶、喷涂或浸渍等方法将醇盐溶胶涂于基片上，醇盐吸收空气中的水分后发生水解和聚合，并逐渐变为凝胶，经干燥、烧结等处理而制得所需的薄膜。
13.光纤的光传输原理是什么？
答：
光纤纤芯的折射率略大于包层的折射率，当光入射的角度大于临界角时，利用光的全反射现象——光由光密媒质射到光疏媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象，可实现光在光纤内传输。
14.固体激光材料有哪些？
（举例）？
答：
1基质晶体如：
蓝宝石，钇铝石榴石，钇镓石榴石，气体钇等。
2基质玻璃：
如硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃，氟磷酸盐玻璃，硼磷酸盐玻璃等。
15.溅射?
—Fe2O3薄膜有哪些优点？
答：
1用添加Co的方法容易控制薄膜的矫顽力。
2同基板粘着力强。
3稳定性好。
4薄膜厚度和尺寸均匀性好。
5采用阳极化的高纯度铝合金基板，平直度和粗糙度均很高，容易减小磁头的浮动高度，提高磁记录密度。
16.简述金刚石薄膜的特性及其用途。
答：
①由于金刚石薄膜的超硬性、耐磨性和抗蚀性，因而用于工具和工件的涂层，大大延长了他们的使用寿命。
②金刚石薄膜具有高导热率和高电阻率，是相当优异的绝热散热材料，因此被用于超高速集成电路、超大规模集成电路、功率电子器件和功率光电子器件的芯片散热。
③金刚石薄膜作为一种光学材料，可用于各种光学元件的镀层和X射线探测器的超薄窗口。
④金刚石薄膜有较小的密度和极高的弹性模量，声波在其中的传播速度高，可用于扬声器中振动膜片的包敷。
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