微晶玻璃研究进展

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0246

摘要/Abstract

摘要：

综述了关于微晶玻璃的种类、生产制备方法和制造原料的研究进展。其中，重点介绍了以废物固化为目的的微晶玻璃制造技术。以结晶为出发点，重点总结了微晶玻璃晶化过程的研究情况，包括不同工艺的成核机理、成核理论发展和分子动力学模拟研究进展。总结出微晶玻璃技术多样化、复杂化、精细化的发展趋势，并认为未来的基础研究不仅需要关注各种先进表征手段在观测玻璃晶化过程中的应用，更需要将实验手段与数学建模和理论计算等手段相结合。应用方面，介绍了微晶玻璃的4种具有突出价值的性能：透明度、发光性能、热膨胀性能和力学强度，这些性能赋予了其在各种高新技术领域中的巨大应用潜能。

关键词: 微晶玻璃, 经典成核理论, 废物固化, 透明度, 低热膨胀

Abstract:

The research progress on categories，manufacturing methods and raw materials of glass?ceramics were reviewed.Among them，the glass?ceramics manufacturing technology aimed at waste immobilization was introduced emphatically.Starting from crystallization，the research status of crystallization process of glass ceramics was summarized，including the nucleation mechanism of different process，the development of nucleation theory and the progress of molecular dynamics simulation.The glass?ceramics technology research trends of diversification，complexity and refinement were summarized.It was considered that future research should not only pay attention to the application of various advanced characterization tools in the observation of glass crystallization process，but also need to combine experimental methods with mathematical modeling and theoretical calculation methods.In terms of application，four outstanding properties of glass?ceramics：transparency，luminescence，thermal expansion and mechanical strength were introduced，which gave it great potential in various high?tech fields.

Key words: glass?ceramics, CNT, waste immobilization, transparency, low thermal expansion

中图分类号:

TQ127.2

王钦,王娜,黄欣,王霆,周丽娜,鲍颖,谢闯,郝红勋. 微晶玻璃研究进展[J]. 无机盐工业, 2022, 54(8): 1-11.

WANG Qin,WANG Na,HUANG Xin,WANG Ting,ZHOU Lina,BAO Ying,XIE Chuang,HAO Hongxun. Research progress on glass?ceramics[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2022, 54(8): 1-11.

图/表 9

图1

图2

表1

图3

图4

图5

图6

图7

图8

参考文献 58

1	DEUBENER J， ALLIX M， DAVIS M J，et al.Updated definition of glass⁃ceramics［J］.Journal of Non-Crystalline Solids，2018，501：3-10.
2	沃尔夫拉姆·霍兰，乔治·H 比尔.微晶玻璃技术［M］.王双华，译.2版.北京：化学工业出版社，2020：8.
	HÖLAND W， BEALL G H.Glass⁃ceramic technology［M］.Translated by WANG Shuanghua.2nd ed.Beijing：Chemical Industry Press，2020：8.
3	HARTMANN P， JEDAMZIK R， CARRÉ A，et al.Glass ceramic ZERODUR^®：Even closer to zero thermal expansion：A review，part 1［J］.Journal of Astronomical Telescopes，Instruments，and Systems，2021，7.Doi：10.1117/1.JATIS.7.2.020901 . doi: 10.1117/1.JATIS.7.2.020901
4	何峰.微晶玻璃制备与应用［M］.北京：化学工业出版社，2017.
	HE Feng.Preparation and applications of glass⁃ceramics［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2017.
5	FU Le， ENGQVIST H， XIA Wei.Glass⁃ceramics in dentistry：A review［J］.Materials，2020，13（5）：1049-1072.
6	REDDY A A， TULYAGANOV D U， KHARTON V V，et al.Development of bilayer glass⁃ceramic SOFC sealants via optimizing the chemical composition of glasses—a review［J］.Journal of Solid State Electrochemistry，2015，19（10）：2899-2916.
7	RUDOI B L.Ballistic⁃resistant glass⁃ceramic and method of preparation：US，04473653A［P］.1984-09-25.
8	CHEN Junzhu， LIU Ziang， YIN Liqing，et al.Effects of BaO on crystallization，structure and dielectric properties of MgO-Al₂O₃-SiO₂ glass⁃ceramics for LTCC applications［J］.Journal of Materials Science：Materials in Electronics，2021，32（5）：5803-5809.
9	ZHAO Haolin， ZHANG Jihua， CHEN Hongwei，et al.The effects of La₂O₃ doping on the photosensitivity，crystallization behavior and dielectric properties of Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ photostructurable glass［J］.Ceramics International，2018，44（17）：20821-20826.
10	刘新年，高档妮，郭宏伟，等.磷酸盐在低熔封接玻璃中的应用［J］.无机盐工业，2005，37（7）：45-47.
	LIU Xinnian， GAO Dangni， GUO Hongwei，et al.Application of phosphate in low⁃melting sealing glass［J］.Inorganic Chemicals Industry，2005，37（7）：45-47.
11	SALES B C， BOATNER L A.Lead⁃iron phosphate glass：A stable storage medium for high⁃level nuclear waste［J］.Science，1984，226（4670）：45-48.
12	DAY D E， WU Z， RAY C S，et al.Chemically durable iron phosphate glass wasteforms［J］.Journal of Non⁃Crystalline Solids，1998，241（1）：1-12.
13	QIAN Bin， LIANG Xiaofeng， WANG Cuiling，et al.Structure and properties of calcium iron phosphate glasses［J］.Journal of Nu⁃ clear Materials，2013，443（1/2/3）：140-144.
14	LI Xiuying， LU Anxian， YANG Huaming.Structure of ZnO-Fe₂O₃-P₂O₅ glasses probed by Raman and IR spectroscopy［J］.Journal of Non⁃Crystalline Solids，2014，389：21-27.
15	LU Mingwei， WANG Fu， CHEN Kuiru，et al.The crystallization and structure features of barium⁃iron phosphate glasses［J］.Spectrochimica Acta Part A：Molecular and Biomolecular Spectroscopy，2015，148：1-6.
16	MONTAZERIAN M， HOSSEINZADEH F， MIGNECO C，et al.Bioceramic coatings on metallic implants：An overview［J］.Ceramics International，2022，48（7）：8987-9005.
17	DENG Yi， LIAO Qilong， WANG Fu，et al.Synthesis and characterization of cerium containing iron phosphate based glass⁃ceramics［J］.Journal of Nuclear Materials，2018，499：410-418.
18	LI Haijian， YI Jianhua， QIN Zhao，et al.Structures，thermal expansion，chemical stability and crystallization behavior of phosp⁃ doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2019
	hate⁃based glasses by influence of rare earth［J］.Journal of Non⁃Crystalline Solids，2019，522.Doi：10.1016/j.jnoncrysol.2019 . doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2019
	119602. doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2019
19	孙梦利.硼硅酸盐玻璃宏观性能与微观结构的实验表征与原子尺度模拟［D］.兰州：兰州大学，2021.
	SUN Mengli.Experiment and atomistic simulation on macro⁃properties and micro⁃structures of borosilicate glasses［D］.Lanzhou：Lanzhou University，2021.
20	郑涛，胥馨，吕景文.光敏微晶玻璃及其应用［M］.北京：化学工业出版社，2017.
	ZHENG Tao， XU Xin， LV Jingwen.Photosensitive glass⁃ceramics and its application ［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2017.
21	KOKUBO T， YAMAGUCHI S.Development of novel glass⁃ceramics for dental applications by the Höland group［J］.Journal of Non⁃Crystalline Solids，2021，558.Doi：10.1016/j.jnoncrysol.2021. 2021.120656 . doi: 10.1016/j.jnoncrysol.2021. 2021.120656
22	RODRÍGUEZ-LÓPEZ S， WEI J， LAURENTI K C，et al.Mechanical properties of solid oxide fuel cell glass⁃ceramic sealants in the system BaO/SrO-MgO-B₂O₃-SiO₂ ［J］.Journal of the European Ceramic Society，2017，37（11）：3579-3594.
23	WU Songsong， DING Chunyan， MA Guansheng，et al.Co⁃enhan⁃
	ancement of oxidation resistance and mechanical properties of Cf/LAS composites：The effects of h-BN addition［J］.Journal of the European Ceramic Society，2020，40（1）：19-27.
24	徐文珍，李灿华，季洪峰，等.赤泥在回收金属和建筑材料领域的研究进展［J］.无机盐工业，2022.Doi：10.19964/j.issn.1006-4990.2022-0100 . doi: 10.19964/j.issn.1006-49 90.2022-0100
	XU Wenzhen， LI Canhua， JI Hongfeng，et al.Research progress of red mud in the field of recycled metals and building materi⁃ doi: 10.19964/j.issn.1006-49 90.2022-0100
	als［J］.Inorganic Chemicals Industry，2022.Doi：10.19964/j.issn.1006-49 90.2022-0100 . doi: 10.19964/j.issn.1006-49 90.2022-0100
25	VENKATESWARAN C， SREEMOOLANADHAN H， VAISH R.Lithium aluminosilicate（LAS） glass⁃ceramics：A review of recent progress［J］.International Materials Reviews，2021，22：620-657.
26	CHAVOUTIER M， CAURANT D， MAJÉRUS O，et al.Complements on the effect of TiO₂ content on the crystallization and the color of（ZrO₂-TiO₂）-doped Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ glasses［J］.Journal of Non⁃Crystalline Solids，2015，408：150-151.
27	DAVIS M J， MITRA I.Crystallization measurements using DTA methods：Applications to zerodur®［J］.Journal of the American Ceramic Society，2003，86（9）：1540-1546.
28	CHENU S， VÉRON E， GENEVOIS C，et al.Tuneable nanostructuring of highly transparent zinc gallogermanate glasses and glass⁃ceramics［J］.Advanced Optical Materials，2014，2（4）：364-372.
29	PETZOLDT J， PANNHORST W.Chemistry and structure of glass⁃ceramic materials for high precision optical applications［J］.Journal of Non⁃Crystalline Solids，1991，129（1/2/3）：191-198.
30	WURTH R， MUÑOZ F， MÜLLER M，et al.Crystal growth in a multicomponent lithia aluminosilicate glass［J］.Materials Chemistry and Physics，2009，116（2/3）：433-437.
31	VENKATESWARAN C， SHARMA S C， CHAUHAN V S，et al.Near⁃zero thermal expansion transparent lithium aluminosilicate glass⁃ceramic by microwave hybrid heat treatment［J］.Journal of the American Ceramic Society，2018，101（1）：140-150.
32	KıBRıSLı O， ERSUNDU A E.The effect of UV exposure and heat treatment on crystallization behavior of photosensitive glasses［J］.Applied Physics A，2018，124（5）：1-9.
33	LUMEAU J， ZANOTTO E D.A review of the photo⁃thermal mech⁃
	anism and crystallization of photo⁃thermo⁃refractive（PTR）
	glass［J］.International Materials Reviews，2017，62（6）：348-366.
34	SAVABIEH H， ALIZADEH P， NAYEBI B，et al.Kinetics of crystallization in 13.2Li₂O-67.6SiO₂-14.49Al₂O₃-3.3TiO₂-0.4BaO-0.97ZnO glass ceramic powder：Part I：A model⁃free vs.model⁃fitting approach［J］.Ceramics International，2019，45（7）：8856-8865.
35	ZANOTTO E D.Glass crystallization research-A 36-year retrospective.part I，fundamental studies［J］.International Journal of Applied Glass Science，2013，4（2）：105-116.
36	FOKIN V M， ZANOTTO E D， YURITSYN N S，et al.Homogeneous crystal nucleation in silicate glasses：A 40 years perspective［J］.Journal of Non⁃Crystalline Solids，2006，352（26/27）：2681-2714.
37	MONTAZERIAN M， MANCINI M， MAURO J C.Advanced tools for unveiling nucleation in nanostructured glass⁃ceramics［J］.Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences，2022.Doi：10.1080/10408436.2022.2066624 . doi: 10.1080/10408436.2022.2066624
38	SCHMELZER J W P， FOKIN V M， ABYZOV A S.Crystallization of glass：What we know，what we need to know［J］.International Journal of Applied Glass Science，2016，7（3）：253-261.
39	RAMÍREZ ACOSTA M H， RAPHAEL RODRIGUES L， CASSAR D R，et al.Further evidence against the alleged failure of the classical nucleation theory below the glass transition range［J］.Journal of the American Ceramic Society，2021，104（9）：4537-4549.
40	XIA Xinsheng， VAN HOESEN D C， MCKENZIE M E，et al.Low⁃temperature nucleation anomaly in silicate glasses shown to be artifact in a 5BaO·8SiO₂ glass［J］.Nature Communications，2021，12.Doi：10.1038/s41467-021-22161-9 . doi: 10.1038/s41467-021-22161-9
41	JEON S，HEO T， HWANG S Y，et al.Reversible disorder⁃order transitions in atomic crystal nucleation［J］.Science，2021，371（6528）：498-503.
42	吴宗璠.结合中国专利申请分析微晶玻璃制造技术的发展和应用［J］.云南化工，2019，46（4）：45-46.
	WU Zongfan.Development and application of glass⁃ceramic manufacturing technology in combination with patent applications in China［J］.Yunnan Chemical Technology，2019，46（4）：45-46.
43	LODESANI F， MENZIANI M C， MAEDA K，et al.Disclosing crystal nucleation mechanism in lithium disilicate glass through molecular dynamcs simulations and free⁃energy calculations［J］.Scientific Reports，2020，10.Doi：10.1038/s41598-020-74764-9 . doi: 10.1038/s41598-020-74764-9
44	DENG Binghui， LUO Jian， HARRIS J T，et al.Molecular dynamics simulations on fracture toughness of Al₂O₃-SiO₂ glass⁃ceramics［J］.Scripta Materialia，2019，162：277-280.
45	张永豪，张金龙，李省伟，等.MgO-Al₂O₃-SiO₂系微晶玻璃微观结构的分子动力学模拟［J］.材料科学，2019，9（2）：164-169.
	ZHANG Yonghao， ZHANG Jinlong， LI Shengwei，et al.Molecular dynamics simulation for the micro⁃structure of MgO-Al₂O₃-SiO₂
	glass⁃ceramics［J］.Material Science，2019，9（2）：164-169.
46	李杨，井敏，武吉伟，等.分子动力学模拟及其在微晶玻璃中的应用综述［J］.山东建筑大学学报，2021，36（2）：82-87.
	LI Yang， JING Min， WU Jiwei，et al.Overview of molecular dynamics simulation and its application in glass⁃ceramics［J］.Journal of Shandong Jianzhu University，2021，36（2）：82-87.
47	BEALL G H， PINCKNEY L R.Nanophase glass⁃ceramics［J］.Journal of the American Ceramic Society，2004，82（1）：5-16.
48	SAKAMOTO A， YAMAMOTO S.Glass⁃ceramics：Engineering principles and applications［J］.International Journal of Applied Glass Science，2010，1（3）：237-247.
49	FILHO P S， CAMPOS E， MOREIRA J P，et al.Properties of glass⁃geramics obtained from crystallization of the SiO₂-Al₂O₃-MgO-Li₂O system with addition of ZrO₂ ［J］.Materials Science Forum， 2014，798-799：369-374.
50	CHEN Chao， YU Chengbing， XU Feng，et al.High energy transfer in Dy³⁺/Sm³⁺co⁃doped transparent borosilicate glass⁃ceramics containing novel Na₅Y₉F₃₂nanocrystals for w-LEDs applications［J］.Ceramics International，2021，47（1）：1-9.
51	TAI Yuping， PAN Bingli， DU Xigang，et al.Broadband downconversion in Bi³⁺-Yb³⁺-codoped transparent glass ceramics containing LaF₃nanocrystals［J］.Journal of Materials Science：Materials in Electronics，2020，31（7）：5117-5123.
52	VAN SCHILFGAARDE M， ABRIKOSOV I A， JOHANSSON B.Origin of the Invar effect in iron⁃nickel alloys［J］.Nature，1999，400（6739）：46-49.
53	AZUMA M， CHEN W T， SEKI H，et al.Colossal negative thermal expansion in BiNiO₃ induced by intermetallic charge transfer［J］.Nature Communications，2011，2.Doi：10.1038/ncomms1361 . doi: 10.1038/ncomms1361
54	TAKENAKA K.Negative thermal expansion materials：Technological key for control of thermal expansion［J］.Science and Technology of Advanced Materials，2012，13（1）.Doi：10.1088/1468-6996/13/1/013001 . doi: 10.1088/1468-6996/13/1/013001
55	DENRY I L， HOLLOWAY J A.Effect of heat pressing on the mechanical properties of a mica⁃based glass⁃ceramic［J］.Journal of Biomedical Materials Research.Part B，Applied Biomaterials，2004，70（1）：37-42.
56	SERBENA F C， MATHIAS I， FOERSTER C E，et al.Crystallization toughening of a model glass⁃ceramic［J］.Acta Materialia，2015，86：216-228.
57	FU Le， WANG Bohan， SONG Junjie，et al.Understanding micro⁃ doi: 10.1016/j.msea.2022.142904
	structure⁃mechanical properties relationship in ZrO 2 -SiO₂ nanocrystalline glass⁃ceramics：The effect of ZrO₂ content［J］.Materials Science and Engineering：A，2022，840.Doi：10.1016/j.msea.2022.142904 . doi: 10.1016/j.msea.2022.142904
58	FU Le， XIE Ling， FU Wenbo，et al.Ultrastrong translucent glass ceramic with nanocrystalline，biomimetic structure［J］.Nano Letter，2018，18（11）：7146-7154.

体系	基础化学组成	主晶相	主要特征
硅酸盐微晶玻璃	Na₂O-Nb₂O₃-SiO₂	NaNbO₃	高透过率、强介电性
	Na₂O-CaO-MgO-SiO₂	硅灰石	易熔融
	PbO-TiO₂-SiO₂	PbTiO₃	强介电性
	Li₂O-MnO-Fe₂O₃-SiO₂	MnFe₂O₄	强磁性
	F-K₂O-MgF₂-MgO-SiO₂	四硅酸云母	易机械加工
	Li₂O-Al₂O₃-SiO₂	β-锂辉石、β-石英	低膨胀，白色不透明
	CaO-Al₂O₃-SiO₂	钙长石	耐腐蚀、耐磨
磷酸盐微晶玻璃	Na₂O-TiO₂-CaO-P₂O₅	β-Ca₂P₂O₇	良好的生物活性
磷酸盐微晶玻璃	P₂O₅-Al₂O₃-SiO₂	β-CaP₂O₃	抗高温蠕变、抗热振
硼硅酸盐微晶玻璃	BaO-Fe₂O₃-B₂O₃	BaO·6Fe₂O₃	强磁性
	PbO-ZnO-B₂O₃	硅锌矿	耐腐蚀
	ZnO-SiO₂-B₂O₃	硅锌矿	低膨胀、耐腐蚀

[1]	赵闯, 陈自浩, 张博宇, 李犇, 靳凤英, 李滨, 孙振海, 郭春垒. 分子筛吸附剂对不同类型柴油吸附分离性能的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(3): 80-85.
[2]	张宇, 赵志超, 赵翠莲, 孙楠楠. 甲基三甲氧基硅烷修饰对SiO₂增透膜耐候性能的影响研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(3): 64-69.
[3]	董雄伟, 韩凤兰, 华炜, 李茂辉, 安长聪, 黄玉才. 硅锰渣基沸石的合成及其表征[J]. 无机盐工业, 2023, 55(12): 128-132.
[4]	段锐, 贾朝航, 徐茂兰, 马天悦, 彭文才, 张建树. 二甲基一氯硅烷和三氯氢硅的热氯化反应及机理研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(12): 82-87.
[5]	郭雪琴, 邓小川, 朱朝梁, 扶鑫, 王瑞瑞, 马婉霞, 樊洁, 左方涛, 卿彬菊. 改性硅藻土负载磷钼酸铵复合吸附剂的制备及其吸附Cs⁺研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(11): 19-26.
[6]	熊晓云, 曹庚振, 杜学敏, 王久江, 胡清勋. 炭黑模板法制备大孔原位晶化型催化裂化催化剂[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 134-139.
[7]	张文静, 周立山, 杨文博, 周柄男, 韩恩山, 何艳贞. 有机蒙脱石复合降凝剂的制备与防蜡降凝作用机理研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 81-87.
[8]	李超, 王丽萍, 戴崟, 高桂梅, 张云峰, 洪雨, 许立军, 崔永杰. 高硅渣碱熔水热合成13X分子筛及吸附铅铜锌离子研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 88-93.
[9]	罗文波, 李恒, 吕钧, 杨林光, 赵兴凡, 龙潇. 从工业硅渣中回收硅和铝的研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(9): 94-99.
[10]	王悦, 方国祥, 张道明, 王维成. 纳米二氧化硅对水硬性石灰胶凝性能的影响[J]. 无机盐工业, 2023, 55(7): 75-80.
[11]	傅明连, 岑健梅, 陈彰旭. 磁性二氧化硅/壳聚糖复合气凝胶的制备及其对铜离子的吸附研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(6): 70-77.
[12]	米晓彤, 李孝国, 常洋, 张永坤, 李永恒, 曹辉, 侯章贵. 晶种和模板剂协同构建纳米ZSM-5团聚体[J]. 无机盐工业, 2023, 55(6): 130-135.
[13]	洪美花, 郭子峰, 刘冠锋, 臧甲忠, 杨科玉, 虞永华, 张大治, 黄声骏. 碱处理方法合成多级孔分子筛的进展与挑战[J]. 无机盐工业, 2023, 55(6): 36-42.
[14]	邓常红. 纳米二氧化硅微乳液的制备及其控水性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(5): 71-77.
[15]	刘雪霆, 毛凌峰, 胡芸, 彭溪, 樊雪梅, 陈严磊, 刘文魁. 分散剂和超剪切对二氧化硅的协同分散作用[J]. 无机盐工业, 2023, 55(3): 71-77.

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会