第六章微晶玻璃

概述微晶玻璃的工藝原理微晶玻璃的生產(chǎn)工藝零膨脹和生物活性微晶玻璃§6.1概述微晶玻璃是50年代末發(fā)展起來的新型玻璃。將加有成核劑的特定組成的基礎(chǔ)玻璃，在一定溫度下熱處理后，就變成具有微晶體和玻璃相均勻分布的材料，稱之為微晶玻璃。微晶玻璃集中了玻璃和陶瓷兩者的特點(diǎn)，故又稱玻璃陶瓷或結(jié)晶化玻璃。因此，微晶玻璃具有膨脹系數(shù)變化范圍大、機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、熔點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)。微晶玻璃的概念微晶玻璃從外觀看，有透明微晶玻璃和不透明微晶玻璃按微晶化原理可分為光敏微晶玻璃和熱敏微晶玻璃按照性能分為耐高溫、耐熱沖擊、高強(qiáng)度、耐磨、易機(jī)械加工、易化學(xué)蝕刻、耐腐蝕、低膨脹、零膨脹、低介電損失、強(qiáng)介電性、強(qiáng)磁性和生物相容等種類按基礎(chǔ)玻璃組成可分為硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽及磷酸鹽等五大類按所用材料則分為技術(shù)微晶玻璃和礦渣微晶玻璃兩類微晶玻璃的分類微晶玻璃的優(yōu)良性能機(jī)械強(qiáng)度高

微晶玻璃的機(jī)械強(qiáng)度比一般玻璃、陶瓷材料以及某些金屬材料高很多?？箟簭?qiáng)度為0.59-1.02GPa，抗彎強(qiáng)度為88.2-220.5MPa、抗張強(qiáng)度為49-137.2MPa；特殊的或增強(qiáng)的微晶玻璃，抗彎強(qiáng)度高達(dá)411.6-548.8MPa。然而，微晶玻璃的抗沖擊強(qiáng)度為2.94-9.8lMPa，是普通玻璃的l.2倍，但仍屬于脆性材料。力學(xué)性能硬度高及耐磨性突出其硬度高于高碳鋼、花崗巖，接近淬火工具鋼的硬度。維氏硬度5.9-9.3GPa。屬于高硬度的微晶玻璃有CaO-AlO3-SiO2，MgO-BaO-A12O3-CaO-TiO2-CeO2等系統(tǒng)。彈性模量微晶玻璃的彈性模量一般為88-98GPa，泊松比為0.215-0.29。此外，微晶玻璃比鋁輕，密度值為2.4-2.6g·cm-3。膨脹系數(shù)可以調(diào)節(jié)采用不同組成及熱處理制度，可以制得多種膨脹系數(shù)[α值為(?12-200)×10-7K-1]的微晶玻璃。如以β-石英為主晶相的Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃(Li2O少)，α值為(?4-4)×10?7K?1，最高使用溫度為800－850℃。以β-鋰輝石為主晶相的Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃(Li2O少)，α值為(7-11)×10-7K-1(25-300℃)，最高安全使用溫度為1170℃，燒至紅熱態(tài)投入水中也不破裂，用于制烹任器皿等。熱學(xué)性能熱穩(wěn)定性好由于微晶玻璃α值低，抗張強(qiáng)度高，所以具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。有的可以經(jīng)受5-1000℃的溫度劇變而不破壞，也能在溫差高達(dá)400℃的條件下使用。軟化溫度高由于微晶玻璃中含有大量晶體，所以在晶體的熔化點(diǎn)以下時(shí)，其粘度幾乎與溫度沒有關(guān)系。故在微晶玻璃所含晶體的熔化溫度以下時(shí)，它有比一般玻璃高得多的使用溫度。荷重軟化溫度為560-1340℃。比熱及熱導(dǎo)性在25-400℃時(shí)比熱為(7.74-9.21)×102J·kg-1·K-1。其導(dǎo)熱性比較低，是熱絕緣材料。各種微晶玻璃25℃時(shí)的導(dǎo)熱率為0.796-4.19W·m-1·K-1。微晶玻璃的耐酸耐堿性高于一般玻璃，大致同硼硅酸鹽玻璃相當(dāng)。對(duì)王水有非常高的穩(wěn)定性，僅輕微的侵蝕。例如，以β-石英為主晶相的微晶玻璃，在90℃時(shí)與15％HCL作用，經(jīng)24h，其侵蝕量為0.04％-0.05％，以β-鋰輝石為主晶相的微晶玻璃則為0.02％-0.03％。化學(xué)穩(wěn)定性光敏微晶玻璃具有感光顯影性質(zhì)，可保一般照像膠片一樣地進(jìn)行曝光和顯影。以Au，Ag和Cu等金屬為成核劑的玻璃，用鏤空?qǐng)D案的鉛皮、鐵片、照相底片等貼在玻璃表面，然后用紫外線照射進(jìn)行曝光。曝光后的玻璃加熱到高于退火溫度進(jìn)行熱處理。最終，被紫外線照射部分就微晶化或著色，而沒有被照射部分仍然顏色不變或透明的，從而所需的圖案就在玻璃中顯示出來了。熱處理過程也稱為顯影過程。光學(xué)性能介電常數(shù)

一般玻璃的介電常數(shù)為4-20，最高的是40(25，1000Hz)，以BaTiO3，NaNbO3，PbTiO3為主晶相的強(qiáng)介電性微晶玻璃，其介電常數(shù)高于100。一般微晶玻璃在高頻、高溫的條件下也有很高的介電常數(shù)(5-10)。溫度變化對(duì)其影響很小，在25-800℃間，相差僅為0.3％。在高頻高溫條件下，微晶玻璃擊穿電壓也非常高，一般為(2.3-7.1)×107V·m-1。介電損失系數(shù)

高溫高頻條件下，微晶玻璃介電損失系數(shù)其低，某些微晶玻璃在1010Hz，500℃時(shí)的數(shù)值為0.010。漏泄因數(shù)

微晶玻璃的漏泄因數(shù)也較低，如10千兆赫、25℃時(shí)為0.0002，在500℃時(shí)為0.015。比高鋁陶瓷低1/3。電學(xué)性能微晶玻璃的應(yīng)用主要性能應(yīng)用實(shí)例低膨脹、耐高溫、耐熱沖擊天文反射望遠(yuǎn)鏡、氣體激光諧振器鏡的支持棒、炊具、餐具、高溫電光源用玻璃、實(shí)驗(yàn)室用加熱器具、高溫?zé)峤粨Q器、代石英玻璃高強(qiáng)度汽車、輪船、飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)材料、墻體材料、飾面材料、電熱線保護(hù)管、小型絕緣子、電線管道襯墊、封接材科高硬度、耐磨軸承、氣缸、活塞、紡織機(jī)導(dǎo)線桿、研磨設(shè)備內(nèi)襯及研磨刀具、離合器、地板、樓梯踏板、導(dǎo)槽、料斗、流槽、水利漩流器錐體易機(jī)械加工可機(jī)械鉆孔、切削、生產(chǎn)要求耐腐蝕、耐熱沖擊及加工精度高的部件、代不銹鋼、塑料耐腐蝕化工管道、球磨機(jī)的球、襯墊、高純化化工產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備透明、耐高溫、耐熱沖擊高溫觀察窗、化學(xué)輸送管道、閥、泵低介電損耗雷達(dá)罩、集成電路的基極、絲網(wǎng)印刷介電體強(qiáng)介電性、透明彩色電視材料。光變色元件、指標(biāo)元件感光顯影需要復(fù)雜加工產(chǎn)品，如顯示圖像、印刷、刻花、彩蝕、打孔、印刷線路底板、儀器標(biāo)尺、器皿玻璃裝飾熔體和玻璃體的結(jié)晶過程包括晶核生成(核化)和晶體生長(zhǎng)(晶化)。其結(jié)晶能力取決于上述兩個(gè)因素，即晶核形成速度(單位體積內(nèi)單位時(shí)間所形成的晶核數(shù)目)和結(jié)晶生長(zhǎng)速度(單位時(shí)間內(nèi)成長(zhǎng)的晶體速度)?！?.2微晶玻璃的工藝原理微晶玻璃的核化晶化uuΔTIJIJuuΔTIvIv成核、生長(zhǎng)速率與過冷度的關(guān)系如果晶核形成溫度區(qū)域和晶體成長(zhǎng)的溫度區(qū)域重疊，加熱升溫時(shí)，晶核在玻璃中一旦形成，晶核即刻成長(zhǎng)，由于不可能形成大量的晶核，所以析出成長(zhǎng)的晶體尺寸大小不一，影響微晶玻璃的質(zhì)量。而晶核形成溫度區(qū)域和晶體成長(zhǎng)的溫度區(qū)域重疊很小時(shí)，則可生成大量均勻晶核，并控制成長(zhǎng)合適尺寸的晶粒。熔體和玻璃體的結(jié)晶過程包括晶核生成(核化)和晶體生長(zhǎng)(晶化)，而核化和晶化又有均相核化和非均相核化兩個(gè)類型。微晶玻璃結(jié)晶過程中的核化與晶化，多數(shù)是屬于非均相核化和非均相晶化的類型，即加入玻璃配料中的成核劑，在玻璃熔制過程中，均勻地溶解在玻璃熔融體中。當(dāng)玻璃處在析晶溫度區(qū)間時(shí)，成核劑能降低玻璃晶核生成所需地能量，核化就可以在較低地溫度下進(jìn)行。這種類型晶化的特點(diǎn)是核化與晶化在整個(gè)玻璃體中均勻進(jìn)行，新晶相在成核劑上附析，長(zhǎng)大為細(xì)小的晶體。&均相核化發(fā)生于均勻基質(zhì)內(nèi)部，而與相界、結(jié)構(gòu)缺陷等無關(guān)的成核過程。核的形成及其存在決定于過程中物質(zhì)自由能的變化△G：ΔGv：相變過程中單位體積的自由能變化(為負(fù)值)；

γ

：新相與熔體之間的界面自由能。將上式微分，并使可得晶核臨界半徑以r*代入上式得核化勢(shì)壘核半徑rΔG*界面能r*自由能ΔG

核自由能與半徑的關(guān)系&異相核化

依靠晶界、相界，或基質(zhì)的結(jié)構(gòu)缺陷等不均勻部位而成核的過程。異相核化比均相核化廣泛得多，由于存在這類界面，降低了界面能ΔGs，使晶核形成速率加快，從而降低了整個(gè)過程的自由能ΔG。ΔG與熔體對(duì)晶核的潤(rùn)濕角θ有關(guān)。異相核化與均相核化所需作的功相差一個(gè)f(θ)因素。θ<180o的任何系統(tǒng)，表面上形成晶核的自由能比在均相要小；θ=0o，晶核形成不需克服任何勢(shì)壘；θ=90o，核化勢(shì)壘降低一半；θ=180o，不潤(rùn)濕，為均相核化。

微晶玻璃的成核劑微晶玻璃的成核劑可分為貴金屬和氧化物兩大類：貴金屬成核劑：Au、Ag、Cu、Pt和Rh等，這類貴金屬作為成核劑在玻璃液中呈離子狀態(tài)，吸收電子后轉(zhuǎn)變?yōu)樵討B(tài)，由于它們?cè)诓Ａе械娜芙舛容^小，則以析出膠體，變成玻璃析晶的成核劑。膠粒大小一般為8-10nm。氧化物成核劑：TiO2、ZrO2、P2O5、Cr2O3、V2O5、

NiO、Fe2O3等，它們易溶于硅酸液玻璃，不溶于SiO2，其配位數(shù)較高并且陽(yáng)離子的場(chǎng)強(qiáng)較大，容易在熱處理過程中，從硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)中分出，導(dǎo)致分相、結(jié)晶。良好的成核劑應(yīng)具備如下性能在玻璃熔融、成型溫度下，應(yīng)具有良好的溶解性，在熱處理時(shí)應(yīng)具有極小的溶解性，并能降低玻璃的成核活化能；成核劑質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散活化能要盡量小，使之在玻璃中易于擴(kuò)散；成核劑組分和初晶相之間的界面張力愈小，它們之間的晶格常數(shù)之差愈小(不超過15％)，成核愈容易.§6.3微晶玻璃的生產(chǎn)工藝

各種微晶玻璃的生產(chǎn)流程配合料制備熔融玻璃成形加工結(jié)晶化再加工一、配合料制備微晶玻璃采用與普通玻璃生產(chǎn)相同的工序進(jìn)行配料。微晶玻璃的配方及工藝條件應(yīng)滿足一定要求，玻璃易于熔制且不被污染，但對(duì)某些微晶玻璃(例如礦渣微晶玻璃)，使用的原料純度等則不那么要求嚴(yán)格，允許含有某些雜質(zhì)；在熔制、成形過程中不析晶；成形后的玻璃易于加工；晶化熱處理時(shí)能迅速達(dá)到體結(jié)晶；產(chǎn)品具有預(yù)計(jì)的物化性能。二、玻璃熔制及成形熔制微晶玻璃時(shí)，熔制溫度及保溫時(shí)間、爐氣氣氛及還原則等對(duì)熔制過程有重要影響。微晶玻璃的熔制溫度較高，一般在1500-1600℃以上，而對(duì)于易熔的微晶玻璃，其熔制溫度約為1300℃。微晶玻璃的液相線溫度較高，在玻璃成形中易于析晶，因此要盡量采用高溫成形和快速成形的方法，使析晶來不及成大。任何一種玻璃的成形方法如吹制、壓制、拉制、澆注、壓延等，均適用于微晶玻璃的成形。三、晶化前的加工微晶玻璃的熱加工、冷加工，盡可能都在晶化前完成。因?yàn)榇藭r(shí)玻璃的硬度小、軟化溫度較低、加工容易。再則，若機(jī)械加工時(shí)擦傷，還可在熱處理時(shí)得到彌合，不致降低制品強(qiáng)度。四、晶化熱處理晶化熱處理是微晶玻璃生產(chǎn)的關(guān)鍵工序。微晶玻璃的結(jié)構(gòu)取決于熱處理的溫度制度。熱處理時(shí)，玻璃中發(fā)生分相、晶核形成、晶休生長(zhǎng)與二次再結(jié)晶等過程。根據(jù)各類微晶玻璃的特點(diǎn)，熱處理溫度制度可歸納為兩種類型：階梯溫度制度和等溫溫度制度。

溫度T晶化T成核ta——階梯制度溫度tT晶化晶核生成速率晶體生長(zhǎng)速率晶核生成速率晶體生長(zhǎng)速率b——等溫制度階梯溫度制度：采用分段的方式進(jìn)行。第一段是在一定溫度下保溫，使玻璃中產(chǎn)生盡可能多的晶核，這是制得具有微細(xì)晶體結(jié)構(gòu)材料的先決條件。第二段是在較高溫度下，令晶體生長(zhǎng)，使基礎(chǔ)玻璃轉(zhuǎn)化為以微晶結(jié)構(gòu)為主的微晶玻璃。

等溫溫度制度：某些基礎(chǔ)玻璃在結(jié)晶化時(shí)會(huì)放出較多轉(zhuǎn)化熱。玻璃是熱的不良導(dǎo)體，易于導(dǎo)致玻璃制品中溫度梯都增大，不利于得到理想的結(jié)晶化效果。因此，在等溫溫度制度中，需選擇合適的晶化速度。五、微晶玻璃的加工

表面涂層在具有高膨脹系數(shù)的微晶玻璃制品表面，在高溫下涂覆一薄層膨脹系數(shù)較低的玻璃，冷卻后，因兩者膨脹系數(shù)的不同，涂層產(chǎn)生壓應(yīng)力，而微晶玻璃本體產(chǎn)生張應(yīng)力。根據(jù)材料的強(qiáng)度理論，涂層的壓應(yīng)力將提高制品的強(qiáng)度。采用該方法強(qiáng)化微晶玻璃，一般可提高強(qiáng)度2-4倍。表面涂層的增強(qiáng)方法，只適用于膨脹系數(shù)大的微晶玻璃。對(duì)于低膨脹的微晶玻璃，一般采用離子交換的方法進(jìn)行強(qiáng)化。

玻璃涂層的組成

離子交換離子交換可以在熔融鹽液中進(jìn)行，也可以在鹽的蒸氣中進(jìn)行。用于離子交換的鹽類一般常用KCl、KNO3、NaNO3、Na2SO4、Li2SO4等。離于交換的溫變?cè)?59-350℃，交換時(shí)間為4-8小時(shí)。低膨脹微晶玻璃放在650℃的KCl蒸汽中，經(jīng)244小時(shí)，可在表面上產(chǎn)生厚度約為100μm的壓縮變形層。抗彎強(qiáng)度達(dá)294.3-392.4MPa。

六、微晶玻璃的結(jié)構(gòu)及其對(duì)性能的影響微晶玻璃是由結(jié)晶相和玻璃相組成的，因此，微晶玻璃的性質(zhì)由兩者的性質(zhì)及數(shù)量比例決定，即主要由析出晶體的種類、晶粒大小、晶相含量以及殘存玻璃相的種類及數(shù)量所決定。微晶玻璃中的結(jié)晶相是多晶結(jié)構(gòu)，晶體細(xì)小，比一般的晶體要小得多，通常不超過2μm。在晶體之間分布著殘存的玻璃相，它把數(shù)量巨大、粒度細(xì)微的晶體結(jié)合起來。結(jié)晶相一般為50-90％，玻璃相的數(shù)量從10％到高達(dá)50％。微晶玻璃中結(jié)晶相、玻璃相分布的狀態(tài)，隨它們的比例而變化。

微晶玻璃的顯微結(jié)構(gòu)與相組成相組成類似的陶瓷和微晶玻璃強(qiáng)度主晶相

抗彎強(qiáng)度(MPa)陶瓷微晶玻璃剛玉35-105175β-鋰輝石35-70140β-鋰霞石14112主晶相的種類

不同主結(jié)晶相的微晶玻璃，玻璃的性能會(huì)有很大的差別。主晶相性能堇青石高絕緣β-石英固溶體，β-鋰輝石低熱膨脹系數(shù)PbTiO3強(qiáng)介電性磷灰石生物活性主晶相的種類與性能晶粒的大小微晶玻璃的光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)，隨晶粒大小的變化而變化。如鋰鋁硅酸鹽系統(tǒng)中，玻璃的透明度主要由晶粒的尺寸決定。當(dāng)晶粒的尺寸小于可見光的波長(zhǎng)，就是透明的微晶玻璃。在一定的尺寸范圍內(nèi)，微晶玻璃的強(qiáng)度也同晶粒的大小有關(guān)。

晶相及玻璃相的數(shù)量微晶玻璃中晶相的百分比變化時(shí)，會(huì)影響到玻璃的各種性質(zhì)，和其它各種因素相比，晶相含量對(duì)性質(zhì)的影響起決定性的作用。如Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)，隨玻璃中晶相百分比的變化而變化。微晶玻璃中玻璃相是微晶玻璃淬火強(qiáng)化的先決條件，當(dāng)玻璃相數(shù)量超過15-20%時(shí)，可以通過淬火強(qiáng)化玻璃。02550755040302010晶相含量（%）熱膨脹系數(shù)×10-7/℃超低膨脹微晶玻璃是60年代發(fā)展起來的一種新型硅酸鹽材料。它通過Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃在熱處理中析出大量負(fù)膨脹系數(shù)的微小晶相顆粒，使微晶玻璃整體能在某一溫度區(qū)域的膨脹系數(shù)達(dá)到或接近零的水平。超低膨脹微晶玻璃又稱為零膨脹微晶玻璃。應(yīng)用在激光技術(shù)、天文反射望遠(yuǎn)鏡、炊(灶)具等。§6.4零膨脹和生物活性微晶玻璃一、零膨脹微晶玻璃大多數(shù)固體材料在常溫下都具有正的膨脹系數(shù)，但也有個(gè)別的礦物晶體在某個(gè)方向上，當(dāng)溫度升高時(shí)，呈收縮現(xiàn)象。

零膨脹微晶玻璃的基本原理室溫α-石英+150×10-7/℃573-867℃β-石英-5×10-7/℃β-石英晶體是由大量的[SiO4]硅氧四面體連接成的比較開放的六角螺旋結(jié)構(gòu)。而當(dāng)β-石英中Si4+離子有規(guī)則地用(Li++Al3+)離子取代時(shí)，便生成具有不同成分和性質(zhì)的β-石英固溶體。此時(shí)，Al3+位于Si4+的格點(diǎn)位置，而Li+填充于Al3+附近的構(gòu)架空隙中而使電性達(dá)到中和。其中比較穩(wěn)定的成分是半數(shù)的Si4+離子被取代，即生成Li2O?

Al2O3

?2SiO2(可簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)AS2)的稱為鋰霞石的微晶。它與β-石英之間可形成一系列連續(xù)的固溶體，因而也具有同樣的六角螺旋結(jié)構(gòu)。它們?cè)诼菪较虻呐蛎浵禂?shù)都是負(fù)值。這樣微晶玻璃中就含有既正膨脹系數(shù)的相(殘余玻璃相)，又含有負(fù)膨脹系數(shù)的相(β-石英固溶體)

組成，溫度變化時(shí)，其膨脹相互抵消，就成為膨脹系數(shù)為零或接近零的微晶玻璃。進(jìn)一步研究表明,許多其它離子也可以取代Li+、Al3+、Si4+離子而進(jìn)入-石英固溶體的晶格中，可以起到調(diào)節(jié)和改善玻璃性能的作用，如：取代Li+的可以有：1/2Mg2+、1/2Zn2+、1/3Al3+取代Al3+的可以有：3/2Be2+、3/2/Zn2+取代Si4+的可以有：4/3Al3+、4/5P5+、Ge4+用于該類玻璃的晶核形成誘導(dǎo)劑主要有：TiO2和ZrO2。在微晶玻璃發(fā)展初期，TiO2是比較普遍使用的，但到后來發(fā)現(xiàn)，除了TiO2之外，再添加一定量的ZrO2，有助于使形成的β-石英固溶體增加穩(wěn)定性。如果沒有ZrO2，則析出的β-石英微晶很容易轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浵禂?shù)較大的鋰輝石微晶，并使玻璃失透。晶核形成誘導(dǎo)劑兩液分相

從玻璃母液中分出許多小的液滴，其直徑很小，只有40?左右，有時(shí)在玻璃冷卻過程中已產(chǎn)生。晶核生成

在分相界面首先析出含TiO2化合物和立方ZrO2的微小晶核，對(duì)進(jìn)一步從玻璃中析出微晶起誘導(dǎo)作用。晶粒長(zhǎng)大

β-石英固溶體的晶粒在核表面不斷沉淀和長(zhǎng)大。初期由于結(jié)晶和母體膨脹系數(shù)相差很大，內(nèi)部出現(xiàn)很大的微觀應(yīng)力，容易裂開并出現(xiàn)乳濁。隨后差異減小，最后形成透明的微晶玻璃。低膨脹微晶玻璃的熱處理階段低膨脹微晶玻璃的熱處理特性12345672.522.502.482.462.441086420α?10-7/℃β-石英β-石英β-石英+β–鋰輝石β–鋰輝石ρ配料和混料

添加少量助熔劑并充分混合，粒度細(xì)小等玻璃熔制

薄層加料、高溫?cái)嚢?、延長(zhǎng)澄清和均化時(shí)間退火和熱處理窯爐溫度分布均勻，控溫精度高低膨脹微晶玻璃的幾個(gè)工藝問題生物活性玻璃陶瓷人工骨是繼合金、高分子和隋性陶瓷之后的新一代人骨組織修復(fù)材料。是類似活體骨的礦物材料，具有優(yōu)異的生物相容性，并能激活骨細(xì)胞再生，使界面形成生物化學(xué)性結(jié)合強(qiáng)度高，成功率高。生物活性玻璃和生物微晶玻璃因其優(yōu)異的生物活性及組分與性能可設(shè)計(jì)性而引起廣泛關(guān)注。

二、生物活性微晶玻璃醫(yī)學(xué)臨床用生物材料生物活性玻璃一般為CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng)，部分含有MgO、K2O、Na2O、Al2O3、B2O3、TiO2等玻璃網(wǎng)絡(luò)中非橋氧所連接的堿金屬和堿土金屬離子在水相介質(zhì)存在時(shí)，易溶解釋放一價(jià)或二價(jià)金屬離子，使生物玻璃表面具有溶解性，即為玻璃具有生物活性的基本原因，所以非橋氧所占比例越大，玻璃的生物活性越高。生物玻璃具有活性的原因基本結(jié)構(gòu)單元磷氧四面體中有3個(gè)氧原子與相鄰四面體共用,另一氧原子以雙鍵與磷原子相連,該不飽和鍵處于亞穩(wěn)態(tài),易吸收環(huán)境水轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),表面浸潤(rùn)性好。隨堿金屬和堿土金屬氧化物含量增加,玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸由三維變?yōu)槎S、鏈狀甚至島狀,玻璃的溶解性增強(qiáng),生物活性也增強(qiáng)。向磷酸鹽玻璃中引入Al3+、B3+、Ga3+等三價(jià)元素,可打開雙鍵,形成不含非橋氧的連續(xù)結(jié)構(gòu)群,使電價(jià)平衡,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,生物活性降低。生物活性玻璃的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)生物活性高不同的生物玻璃和生物微晶玻璃之所以能在臨床上獲得成功，均歸因于其能與骨組織形成穩(wěn)定且高機(jī)械強(qiáng)度的界面結(jié)合。組成的可設(shè)計(jì)性和性能的可調(diào)節(jié)性與單組分材料相比,生物玻璃可通過改變其成分或微晶玻璃中晶相的種類和含量來調(diào)節(jié)生物活性、降解性和機(jī)械性能等,以滿足不同的臨床需求。生物活性玻璃的特征生物活性玻璃或微晶玻璃如BioglassR、CerabonR即A/W生物微晶玻璃、CeravitalR、可切削微晶玻璃BioveritR等已大量用于臨床。

生物活性微晶玻璃常用生物活性玻璃品種生物玻璃45S5微晶玻璃Ceravital微晶玻璃Cerabone

A/W微晶玻璃IlmaPlant微晶玻璃Bioverit晶相磷灰石磷灰石β-硅輝石磷灰石β-硅輝石磷灰石氟金云母密度(g/cm3)2.653.072.8維氏硬度(Hv)458±9.4680500抗壓強(qiáng)度(MPa)5001080500抗彎強(qiáng)度(MPa)42100-500215160100-160楊氏模量(GPa)3511870-88斷裂韌性K1C(MPa

m1/2)2.02.50.5-1.0三、其它技術(shù)微晶玻璃微晶玻璃基礎(chǔ)玻璃組成主晶相高絕緣微晶玻璃MgO-Al