无机材料专业外语翻译(4)

常平尽可能不需要抛光。这两个基本要求意味着通常需要高度精炼和高均匀性。另外还有一些其他的基本要求，包括：高应变点（为了避免在加热处理及电子管栅格生产过程中产生压实），无碱金属（因为碱金属可能会扩散到液晶中或晶体管层），低膨胀系数（与所用的非晶硅匹配）以及耐酸腐蚀（加工过程中会用到酸）。为了使玻璃种不含碱金属并且具有低的膨胀系数就需要用到有些易挥发的B2O3，这样要满足均匀性要求就更加困难。

尽管有这么多困难，但是现在生产的衬底玻璃完全能满足繁荣的便携式（笔记本）电脑市场的要求。而且在不远的将来，很有可能取代电视的阴极射线管平板显示器。

3电（炉）熔化 冷炉顶电炉本质上是无污染的而且经常用来溶化氟化物乳化玻璃或铅。它最大的缺陷就是具有大的电能损耗，在欧洲电能成本要比燃气的成本高很多，瑞士电费是燃气费用的3倍而在西班牙达到10倍。电（炉）溶化并不能避免灰尘的引入和NOx及SOx的挥发。另外，电（炉）溶化的热效率对炉子的大小不敏感，在电费不是很贵的国家可以里利用小一点的电炉子来节约成本。

尽管温室气体减排的呼声越来越高，欧洲玻璃行业整体的电能损耗可能还是在减少。由于电能成本与燃料成本之间存在巨大差价，增大炉子的体积比推广用电溶化来说更有利。对于在玻璃制造中65%的时间里都会用到的盛液炉更是如此。

第15单元 玻璃的性质

1密度

玻璃的热处理过程决定了玻璃的性能。例如，大部分玻璃的密度都取决于他的热处理过程，随着温度的增加而减小。玻璃的密度范围可以从2.2到80g/cm3之间变化。玻璃在退火点以上的温度下以不同的速率冷却具有不同的密度，冷却速率越快，密度越低。由氧化物的成分可以计算热导率和比热，与之类似可以根据HUGGINS和SUN公式计算玻璃的密度。

玻璃工艺学家根据经验在某些组成范围内确定了添加剂或替代物对于玻璃各种性能的影响。这种基于添加物计算玻璃性质的方法不能用于含氧化硼的玻璃。玻璃的密度是基于成分计算的主要性质之一。密度的测量已经被广泛的应用于玻璃质量的控制。

2热膨胀

在玻璃转变温度下过冷液体转变成玻璃，为了测量玻璃的转变温度，长期以来都是利用测试玻璃从室温到软化温度范围内的热膨胀。即使是完全退火的玻璃，其在很大的温度范围内的膨胀系数也并不一致。α系数表示在给定温度范围内，温度每升高一度单位长度的变化。完全退火玻璃在软化温度范围内热膨胀系数增加是由于缺陷的形成，例如没有完全配位的阴离子节点处出现空位。缺陷导致了玻璃短程排列的不对称而且缺陷产生的热振动增加了热膨胀系数。这种解释同样适用于具有离子网络结构的硅酸盐玻璃和有机玻璃或分子玻璃。

线性热膨胀平均系数的单位通常用10的负7次方cm/cm/K。为了便于编目，玻璃制造商引用0到300℃温度范围内的膨胀系数值，而其他温度范围的则不常用，例如20到100℃范围。

当玻璃用作与其他材料进行封接的封结玻璃时，热膨胀就是非常重要的参考因素，因此25℃到固化点温度范围内的热膨胀系数就显得非常有用。固化点温度就是玻璃在冷却过程中变成坚固的弹性体的温度，其数值大小定义为比应变点温度高5℃。在玻璃转变温度范围内，玻璃的热膨胀变化最大。这一温度范围通常为100℃，而且其中心温度在玻璃的应变点温度附近。玻璃的热膨胀系数同样取决于玻璃的成分。碱金属可以显著的提高膨胀系数，硅或硼氧化物通常降低玻璃的膨胀系数，其他氧化物对膨胀系数的影响居中。玻璃的膨胀系数可以根据成分利用适当的因数进行直接精确的计算。最常用的方法有ENGLISH和TURNER两种方法。

每种成分的重量百分数与该种成分对应的因数（因子）相乘。所有乘积的和就是玻璃每℃的线性膨胀系数。举个例子，玻璃的成分为SiO2 76%，Na2O 12%，CaO12%则按照下式计算：

这种计算膨胀系数方法其适用的温度范围是25到90℃。 3热导率

玻璃的热导率就是在玻璃的实际的温度梯度内单位面积热流速率。玻璃是热的不良导体这是玻璃随机结构的固有特性。玻璃的热导率范围在0.0042到0.0126J/cm·s℃。可以根据玻璃的化学成分分析利用RATCLIFFE氧化物因数（因子）进行计算。 与晶体相比，玻璃的热导率随着温度的降低而减小。热导率受玻璃结构的影响要大于受化学成分的影响。对结构中的缺陷和杂质非常敏感。玻璃中作为热能振动单元的声子的自由程要远小于晶体中的自由程，因为玻璃结构是长程无序的。玻璃的热导率远低于晶体。

第16单元 特种玻璃

1源于玻璃的先进生物医学材料

自从二十世纪70年代早期Hench等人发明了生物玻璃，各种玻璃和微晶玻璃就开始与活体骨头相连接，而且有些已经开始临床应用。例如，在美国Na2O-CaO-SiO2-P2O5系生物玻璃由于具有很高的生物活性而广泛应用于牙龈植入物和人工中耳耳骨中等。在日本含有磷灰石（Ca10（PO）4（O，F2））和钙硅石（CaO·SiO2）的微晶玻璃A-W（磷灰石和钙灰石的微晶玻璃）由于具有很高的机械强度和生物活性而广泛应用于人工脊椎，脊椎间盘，肠骨头等。在过去3年中用微晶玻璃A-W作为骨头替代物的病例超过了5000例。

然而，即使是微晶玻璃A-W也不能用作高承载的骨头替代物，例如大腿骨和胫骨骨头，因为微晶玻璃A-W的断裂韧性最大值仅为2.0MPam1/2。人们已经利用金属纤维、金属或陶瓷颗粒来增强生物活性陶瓷或微晶（玻璃）陶瓷。然而其中ZrO2（Y2O3）颗粒增韧的含有磷灰石和钙硅石的微晶玻璃其最高韧性也只有3.0MPam1/2仍然不能用于高承载骨头的替代物。而镀覆生物活性玻璃和微晶玻璃的金属材料则可以应用于此。然而镀层长期在人体中并不稳定。

控制普通玻璃和微晶玻璃生物活性的影响因素的基本原理已经取得很大的进展。这使得我们能够设计出新的结实的生物活性材料，例如利用玻璃制备出生物活性金属和有机聚合物。

普通玻璃和微晶玻璃在高热法治疗和癌症放疗方面也表现出非常重要的作用。耐化学作用的Y2O3-Al2O3-SiO2玻璃微球，被中子轰击后可激活为β射线源，目前在加拿大已经用于肝癌患者的康复治疗中。最新研究表明离子注入技术制备这种玻璃微球非常有效。

2用于高热法治疗的材料

Luderer等人最先报道了在Al2O3-SiO2-P2O5玻璃基体中加入铁酸锂制备出了铁磁性微晶玻璃，这种材料作为高热法治疗癌症的热弹非常有用，因为在交变磁场作用下这种材料发生磁滞损耗而加热癌细胞，癌细胞在43℃以上被杀死。随后作者又报道，在CaO-SiO2基体中加入铁磁矿（Fe3O4）可制备出具有生物活性和铁磁性的微晶玻璃，这种微晶玻璃可作为治疗骨癌的热弹。微晶玻璃可以高效的产生低于50℃的热量，目前正在通过选择晶相居里温度在50℃左右的铁磁体或铁磁相加入微晶玻璃使其在高于50℃时停止加热。

3用于放射线治疗的材料

Ehrhardt等人首先报道了耐化学作用的Y2O3-Al2O3-SiO2玻璃在癌症的放射线治疗中非常有用。经过中子轰击玻璃中的Y-89被激活为Y-90β射线源，其半衰期为64.1小时，粒度在20到30微米之间的这种玻璃微球通过肝动脉注射到肝肿瘤中后将被肝肿瘤的毛细血管床俘获，在局部短范围内将产生大剂量的放射性，对肿瘤产生高电离性的β射线，而对周围的器官的放射性则很小。由于玻璃的强耐化学作用，放射性的Y-90很难从玻璃种释放出来。由于Y-90的半衰期很短，这种玻璃的放射性可能在21天就衰减殆尽。

由于Y-90的半衰期很短可能导致在癌症治疗前其放射性就严重衰减。天然丰度100%的P-31经中子轰击后可转变为P-32β射线源，其半衰期更长为14.3天。P-32的生物有效性大概是Y-90的四倍。

然而利用传统的融化工艺很难制备出耐化学作用的高P2O5玻璃。

这种玻璃可以利用离子注入技术制备。在95℃的纯水中向石英玻璃种注入能量为五万电子伏特每平方厘米1×10的17次方个P+离子，石英玻璃会向水中释放出很多硅和磷，磷分布在玻璃表面并氧化，在表面内50nm处磷的浓度最大。然而，以同样剂量注入能量为20万电子伏特的P+离子到相同的玻璃中却很难同时释放硅和磷，磷也并不是分布在玻璃的表面，在表面下200那么处浓度最大。这表明高能离子注入能够制备出用于癌症放疗的新品种玻璃。

第17单元 微晶玻璃

1绪论

合成陶瓷具有非常独特的联合性能，是非常突出的一大类材料，在过去的20年里它的出现（在材料科学的大舞台上扮演着重要的角色）称为材料科学世界里成为一道亮丽的风景。这些高技术陶瓷独特的机械性能、热性能、光学性能、磁性能和电性能，使得陶瓷在各个领域的应用发生很大变化。20世纪70年代，作为高温工程固体的硅基陶瓷迅速发展。最新出现的氧化锆基陶瓷使陶瓷的断裂韧性大大提高在材料领域里占有重要地位。20世纪80年代，我们开始研制陶瓷基体复合材料，这些复合材料能够克服脆性陶瓷在工程设计时的限制而且具有一致的显微结构从而具有一些奇特的性能。在整个这一时期，玻璃和微晶玻璃有了重大的发展但相关的报道却不多。本文的就是在材料科学的这一领域选择一些题目进行回顾。

2析晶

微晶玻璃最早是通过控制玻璃的晶化得到的，玻璃的晶化过程根据玻璃的原始成分及热处理方式使得材料最终由一种或多种晶相和一些残余的玻璃共同组成。

在晶化过程中，分子发生重排从而产生类似（接近的）晶体的结构。这种结构通常是亚稳的同质多形体，通过进一步加热处理就会转变成热力学稳定的晶体结构。玻璃中分子的重排使各晶核周围的结构（环境）发生变化，通过幻角自旋核磁共振技术可以观察到这种结构的变化及结晶的过程。

已经有一些文献报道了玻璃与晶体结构对比。

3硅酸盐玻璃中的体积形核

在过去的大约25年里在微晶玻璃的制备科学与工艺中通过控制玻璃的晶化来制备微晶玻璃一直在稳步前进。Peter McMillan在这方面做出了杰出的贡献，1964年他编写的经典教科书的第一次发表在微晶玻璃领域发展史上具有里程碑意义。

微晶玻璃的制备包含几个步骤。第一，玻璃需要熔化成适当的形状。然后将玻璃制品根据形核和晶粒长大的体积进行热处理直到材料达到所要求的结晶程度。因此晶粒的形核和长大动力学主要取决于玻璃的成分，包括在玻璃析晶过程中能够形核并稳定的成分以及通过适当节能的热处理后能够转变成细晶粒的微晶玻璃的成分。

这一章简单的介绍了玻璃中的形核，并没有进行全面的论述。实际上玻璃形核是非常有趣的也是非常重要的。整章的重点都是学习简单的硅酸盐系统包括体积形核动力学中的定量测量。然而，通常这方面的学习对确定玻璃形核行为的影响因素非常有帮助。而且，这些影响因素同样适用于更复杂的微晶玻璃的制造过程中。

通过对相关理论的整体简述，对不同体系玻璃中体积形核进行了实验研究与讨论，在不同体系中结晶相的成分与玻璃相的成分是相同的。考虑了稳态和不稳态的形核。得到的结果非常一致而且表明在这些体系中的形核是非常均匀的。然后讨论了结晶相与最初玻璃相成分不同的这一更复杂的情况。描述了金属颗粒的异质形核剂和非金属形核剂的作用。最后，回顾了最新的关于非晶相的分离对形核动力学影响的研究。

第4部分 水泥和混凝土 第18单元 波特兰水泥

波特兰水泥通常是将石灰石和粘土的混合物加热到1450℃而制备的，有时也会以具有相似成分和足够高活性的材料为原料。加热过程中会产生部分熔合，从而产生结节的熟料。熟料中混入少量的钙硫酸盐并且进行精细的研磨，从而制成水泥。钙硫酸盐能够控制固化速率而且影响强化速率。通常的说法是加入石膏，但有时可能加入的是部分或全部其他形式的钙硫酸盐。有些规范中允许在研磨的过程中加入一些其他的材料。典型水泥熟料的成分为67êO，22%SiO2，5%Al2O3，3t2O3和3%的其他材料，通常含有的四种主相分别叫做，阿利特，贝利特、氧化铝和菲利特。碱金属硫酸盐和氧化钙等其他相的含量通常都很少，水泥的硬化是主相与水之间发生反应的结果。

阿利特是普通波特兰水泥熟料中最主要的成分，其含量在50到70%之间。阿利特实际就是被置换离子改变了成分和结构的硅酸三钙。它与水的反应速度相对来说很快，是普通波特兰水泥强化过程中最主要的成分；尤其在前28天强化它他是目前最重要的成分。

普通波特兰水泥熟料中的贝利特含量在15~30%。贝利特是置换离子改变了的硅酸二钙，其正常情况下大部分或全部表现为β型同质多形体。它与水的反应速度很慢，因此在早期的28天时间里它的强化作用很小。但实际上它的后期强化使得水泥的强度进一步增强。在大致相同的条件下，经过一年以后纯的阿利特和纯的贝利特水泥的强度几乎相同。

普通波特兰水泥熟料中的氧化铝的含量为5~10%。实际上它是由置换离子改变成分甚至有时改变结构的铝酸三钙。它与水的反应速度很快，通常需要加入凝固控制剂石膏，否则会产生非常糟糕的快速凝固。

普通波特兰水泥中的菲利特含量在5~15%之间。菲利特就是铁铝酸四钙，实际上它的成分随着Al与Fe的比率及置换离子不同而变化。菲利特与水的反应速率显得有些易变，可能是由于其组成或其他一些特征的不同引起的，但是总的说来前期速度很快而后期则很低。

波特兰水泥的类型

全世界生产的大多数波特兰水泥都是建筑用水泥。在所有国家中波特兰水泥必须遵照的标准是相似的，但是不完全等同，使用各种名字来定义，例如在现行的欧洲和英国共同标准中称为42.5号波特兰水泥（42.5是28天抗压强度的最小值为42.5MPa），用在美国的ASTM标准（美国测试与材料学会）的I号与II号水泥，还有早期英国标准命名的普通波特兰水泥（OPC）。本书中普通波特兰水泥中ordinary这一叫法是用来区别这种普通水泥与其他用量非常少的特殊应用的波特兰水泥。

通常水泥的标准规范有些是根据化学成分或物理性能而定制的，例如比表面积，有些则是根据测试性能定制的，例如固化时间或标准条件下固化后的抗压强度。通常MgO的含量控制在4~5%，因为一旦这种成分的加入量超出限制量2%就可能会产生方镁石（镁的氧化物），这种物质由于减缓了与水的反应容易引起硬化混凝土的破坏性膨胀。游离石灰（氧化钙）对水泥性能的影响与此类似。普通波特兰水泥中SO3的含量的上限通常为3.5%，超过这一上限同样能够导致破坏性膨胀。碱金属能够与某些骨料发生膨胀反应，因此有些规定中限制其用量为0.6%当量的Na2O（Na2O+0.66K2O）。关于稀酸中的不容物和易燃物的用量规定中也是有上限的。其他少量成分的用量根据他们在制备工艺中的作用或对水泥的性能影响，或同时考虑两因素而定，有些情况下标准中有明确的用量。

快硬波特兰水泥的制备方法很多，如可通过增加成分中的阿利特含量，精细研磨水泥熟料，还有就是提高制备工艺等手段如精细研磨或充分混合原料。在过去的一个半世纪中，波特兰水泥中的阿利特含量逐渐提高，在这期间制造了快硬波特兰水泥，在今天看来很普通的许多种类水泥，仅在几十年以前被当做快硬水泥。在ASTM标准中，快硬波特兰水泥被称为早期高强水泥或三号水泥。对普通水泥与快硬水泥来说都规定了28天强度的上限与下限；上限是一种保护措施，防止混凝土中掺加水泥量不当引起的耐久性差。

不仅水泥中的硫酸盐加入过量会导致水泥与硫酸盐的反应而引起破坏性膨胀，混凝土中硫酸盐溶

液的侵蚀（攻击）也会导致破坏性膨胀。水泥与硫酸盐的反应与硬化水泥中存在含有Al2O3的相有关，在抗硫酸盐波特兰水泥中可通过减少氧化铝相的含量来减小这种不良影响，有时可能会将含氧化铝相的量调至零。可以通过减少原料中Al2O3与Fe2O3的比率来实现。在美国，抗硫酸盐波特兰水泥被称为五号水泥。

通过增加Al2O3与Fe2O3的比率可制备出白波特兰水泥，因此其成分与抗硫酸盐波特兰水泥大部相同。正常波特兰水泥由于存在菲利特而呈现暗灰色，因此白波特兰水泥必须避免菲利特的生成。在原料中完全避免Fe2O3或其他容易产生颜色的成分如Mn2O3是不可能（可行）的。因此通常是通过在还原气氛下制备水泥熟料并且快速淬冷来使得这些容易产生颜色的成分降到最低。除了阿利特外，可能还会形成贝利特、氧化铝及一些玻璃相。

波特兰水泥与水之间的反应是放热反应，在某些情况下这可能是好事因为它能够加速硬化，而某些情况下却是不利的，如建造大坝或油井内衬时通常需要将水泥浆料在很高的压力和温度下用泵加压很长的距离。可以通过粗磨来减缓水泥的放热，而且还可以通过减少阿利特和氧化铝的含量来减少总的放热量。ASTM标准中关于二号水泥或者叫硬化放热适中水泥有明确的定义。二号水泥同样适于暴漏在中度硫酸盐侵蚀的环境中，而且广泛用于建筑工程中。还可以利用粉煤灰（粉碎的燃料灰，简称pfa）或其他材料部分替代水泥来减少放热，这也是目前广泛采用的方法。关于油井水泥的特殊要求将在11.8节中讨论。

第19单元 波特兰水泥的水化

水泥中的硅酸盐和铝酸盐与水发生反应形成水化产物一定时间后凝结成坚硬的物质。不同的无水相成分的水泥质特性大不相同，C3S能够迅速的与水化合产生早期的水泥强度，而β-C2Ｓ相的硬化则很慢。C3A与C4AF的水化产物的强度很低。普通水泥的水化过程大概可以看成是所有成分水化过程的加和。C3S是早期的强化（硬化）相；C3S和βC2S共同使得水泥和混凝土具有长期的强度。

水泥的水化过程很复杂，研究这一过程的难度一部分原因是其主要的水化产物要么是胶状物要么是结晶性很差，因此很难利用利用传统的X射线衍射的方法对这一过程进行研究。结晶性很差的硅酸钙水合物是主要的水化产物而且是一种重要的高强度水化产物，有时也被称为C-S-H胶状物或者不准确的说法叫做水化硅酸钙胶状物。这种材料的成分是不确定的而且CaO与SiO2及SiO2与H2O的比率可能都是变化的；其中也可能含有Al3+，Fe3+，和硫酸根离子。硬化的水泥中除了含有CSH胶状物外还含有未反应的熟料，Ca（HO）2，铝酸盐水合物，硫酸铝水合物和水等成分。

很多硬化的水泥或混凝土的机械性能似乎取决于水合产物在介观（胶体）尺度上的物理结构而不是化学成分。目前利用各种技术使得水泥水化过程的研究有了很大的进步，包括结合微区相分析的电子显微镜技术。水化过程似乎包括至少两个阶段。第一，在无水的水泥颗粒表面迅速形成CSH胶状物膜（层）。其次，这种胶状物层开始向外生长并且继续吞噬内部的无水水泥颗粒使得胶状物层变厚。胶状物层随后开始在几小时内相连形成硬化的或凝固的制品。

水与水泥的比率（水料比，水灰比）影响水泥的性能。当原始混合物中的水泥原料的表观体积大概固定时，最终的体积将随着水与水泥的比率（水料比，水灰比）的增加而增大。凝固的水泥是多孔的，即包含10到20埃截面直径比较小的填充水的凝胶孔又包含界面直径在1微米左右的比较大的毛细孔通道。凝固水泥的渗透性及冰冻损坏的性能正是因为毛细孔的联通。因此水泥中最好是没有联通的毛细孔。可以通过降低水与水泥的比率（水灰比，水料比）并且保持足够长时间的湿养护来达到此目的，湿养护就是在比较湿的气氛下进行水化。因此如果水与水泥的比率（水料比，水灰比）为0.4的话，养护期大概3天左右的毛细口就不再联通了，而如果水料比（水灰比）为0.7的话，养护期至少要一年。

由于C3A与水的反应速度很快因此容易导致水泥的瞬凝。C3A能够很快的溶解，然后以水合铝酸钙的形式沉淀（析出），同时伴有大量的转变热。尽管这个反应很快，但是经过瞬凝的水泥的机械性能

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