玻璃管的加工技术（精选4篇）
1.玻璃管的加工技术 篇一
1 工程概况
大连大化集团搬迁改造工程松木岛厂区海水管线项目 (简称大化海水管线项目) , 其设计规模为:海水总设计输水量最大为30000m3/h, 设计范围是以海水泵房引出的钢管预留接管点为起点, 到各装置区接管点为终点, 敷设距离约2000m, 管道工作压力为0.4MPa。
2 管材特点比较
目前我国在大口径海水供水管线中常采用的管材有钢管、预应力钢筒混凝土管、预应力钢筋混凝土管和玻璃钢夹砂管四种。
2.1 钢管
强度较高, 承受荷载能力较强, 使用灵活, 每道接口均为焊接, 出事故机率小, 修补方便易行, 重量轻于预应力钢筋混凝土管, 但造价最高, 当输送海水时, 大量的腐蚀性的无机盐, 对钢管腐蚀严重, 易结垢, 清理困难, 需进行内外防腐。
2.2 预应力钢筒混凝土管
使用寿命较长、运行安全可靠, 是近几年常用的输水管材, 一般用于大口径的输水工程, 缺点是内壁较粗糙, 水力损失较大, 泵站扬程较高, 运行费用较高;总投资省;管道重量较大, 运输、安装不如玻璃钢夹砂管方便, 管道施工费用高;每根长度5m, 接管点较多, 承插式连接, 密封试验相对复杂。
2.3 预应力钢筋混凝土管
造价比预应力钢筒混凝土管低, 抗腐蚀性能优于钢管, 但管体重, 抗不均匀沉降性能差, 维护困难, 对软基的适应性差, 软基处理费用较大, 施工难度较大, 而且由于是承插口的刚性管, 对地基要求高, 其多用于压力较低的的输排水工程。
2.4 玻璃钢夹砂管
2.4.1 耐腐蚀性能强
与传统管材相比具有优良的耐化学腐蚀性能, 通过对内衬层不同树脂的选择。便可使玻璃钢夹砂管道耐酸、碱、盐、氧化剂、有机溶剂、各类油脂、污水、海水等, 而且不需要任何防腐处理。
2.4.2 无污染
在使用过程中不结垢、不生锈、不滋生藻类和其它的微生物, 不需要阴极保护及其它防护措施, 不会对水质或其它介质产生二次污染。
2.4.3 质量轻、强度高、刚度高
与同种规格, 相同长度的各类管材进行比较, 玻璃钢夹砂管的质量仅为钢管的1/5, 铸铁管的1/4, 混凝土管的1/10。由于在玻璃钢管的管壁结构中, 砂浆层的两侧有纤维缠绕增强热固性树脂结构层, 该层的玻璃纤维含量高:70%, 通过缠绕角度的变化来改变轴向和环向的强度比, 在不增加管材壁厚的情况下, 即可满足不同条件下对管材强度的要求。
2.4.4 水力性能好
玻璃钢夹砂管的粗糙率为小, 管道在运行过程中能长期保持光滑, 水头损失较小, 从而降低了动力消耗, 运行状态安全经济。
2.4.5 单根管长度长, 接口少、施工方便
管道的长度一般为:6m, 8m, 10m, 12m, 16m (也可根据客户要求生产特殊长度的管道) 。单根管道长, 接口数量少, 因此, 装卸方便, 易于安装, 减少故障概率, 提高整条管线的安装质量。
2.4.6 使用寿命长, 安全可靠
玻璃钢夹砂管设计得经久耐用, 据实验室的模拟试验表:一般给水、排水夹砂玻璃钢管的寿命可达50年以上, 是钢管和混凝土管的2倍。对于腐蚀性较强的介质, 其使用寿命比钢管和不锈钢管高几倍。
2.4.7 综合造价低、长期经济效益好
同口径的管材, 玻璃钢夹砂管单管管材价格稍高于混凝土管, 而低于铸铁管和钢管。管道口径越大, 管材造价差别也越大。
3 管线工程费比较
由于大化集团老厂采用钢管作为海水管线供水管, 所以, 现以2根钢管 (φ1520x15) 与3根玻璃钢夹砂管 (DN1400) 的工程费用作比较:
3.1 钢管 (φ1520x15) 管线工程费
管线数量2根, 每根长2000m, 定额主材费、人工费、材料费、机械费、工程取费合计为38890.26 (元/10米) , 管线安装费为38890.26×2×2000/10≈1556 (万元) ;土建施工费为124 (万元) ;管线防腐费约48 (万元) , 所以, 钢管的管线工程费合计为1728 (万元) 。
3.2 玻璃钢夹砂管 (DN1400) 管线工程费
管线数量3根, 每根长2000m;定额主材费、人工费、材料费、机械费、工程取费合计为22238.42 (元/10米) , 管线安装费为22238.42×3×2000/10≈1334 (万元) ;土建施工费为186 (万元) ;管线不需防腐, 所以, 玻璃钢夹砂管的管线工程费合计为1520 (万元) 。
综上所述, 玻璃钢夹砂管无论从整体性能还是工程费用均优于其它管材, 所以, 最终确定化海水管线项目采用玻璃钢夹砂管作为海水输送管线。
4 大化海水管线项目设计方案
依据大化公司提供的设计条件, 总水量最大为30000m3/h, 设计正常输水采用三根管, 分别供碱厂、热电厂和备用, 管道沿线间隔约300m设一个检查井, 在各装置区接管点设阀门井, 检查井、阀门井内管线上安装有检查口, 检查口法兰盖上均设自动排气阀, 整个管线的放空管设在海水取水泵房处。
玻璃钢夹砂管施工要求:
1) 严格按照《埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规范》CECS129:2001;《给排水管道工程施工及验收规范》GB50268-97;等相关规范施工。
2) 管道敷设。按施工图纸要求的尺寸进行开挖;人工找平, 压路机碾压;土工布铺底 (预留好侧面、顶面的土工布) ;300厚粗砂打底找平;铺设海水管线;回填粗砂, 管线侧壁、空隙应分层夯实 (或用水冲实) , 覆盖管线300厚;土工布覆盖。
3) 管道止推支墩。在管道的弯管、三通及盲板处应设置固定支墩, 支墩应包围住管件, 并应设置在原状土上。支墩做法参见国家标准设计图集《柔性接口给水管道支墩》03SS505。
4) 管道连接。玻璃钢夹砂管连接采用双密封圈承插连接, 密封圈采用无接头三元乙丙材质, 阀门井与阀门连接的管材采用钢制管件, 与阀门井钢管连接, 采用特制玻璃钢短管法兰连接 (采用1m长特制玻璃钢短管转换为柔性连接, 以防止阀门井的不均匀沉降) , 密封垫采用橡胶垫片, 厚度>10mm。
5) 管道试压。管道工作压力为0.4MPa, 管道安装时应对承插口进行压力试验, 试验压力为0.6MPa;管道安装完毕时, 应进行闭水试验, 试验压力为0.6MPa;水压试验宜在环境温度5C以上进行, 否则必须有防冻措施。
6) 管道回填。应正确选择管区回填材料进行管区回填与夯实。对管道底部两端的腋角部位, 应按设计支承角的要求回填和夯实;回填前应清除沟槽中杂物, 并排出积水, 不得在有积水情况下回填;管区应对称分层回填, 严禁单侧回填。
5 结语
通过上述工程实例和对玻璃钢夹砂管性能特点分析, 可知, 在大口径、长距离输水工程, 特别是在海水输送工程中使用玻璃钢管经济上合理, 技术上可行, 施工工期短、见效快。在供水管道工程中的应用可行、前景可观。
摘要：玻璃钢夹砂管, 是一种新型的复合材料管, 它主要以玻璃纤维无捻粗纱及其制品为增强材料, 以热固性树脂为基体材料制成, 以优质硅砂为填料和辅助材料, 采用缠绕工艺复合而成。
关键词：海水输送工程,玻璃钢夹砂管,设计方案,施工要求
参考文献
[1]雷文.玻璃钢管道的技术特点及在我国的应用现状分析[J].玻璃钢/复合材料, 1999.
[2]GB50268—97, 给水排水管道工程施工及验收规范[S].
2.玻璃管的加工技术 篇二
1北立面钢结构加工施工工艺
1.1测量放线
测量放线是确保施工质量的最关键的工序，必须严格按施工工艺进行，为保证测量精度，除熟悉图纸，采用合理的测量步骤外，还要选用比较精确的激光经纬仪，激光指向仪、水平仪、铅垂仪、光电测距仪、电子计算机等仪器设备进行测量放线，测量工作开始之前，必须与总承包方取得联系，由总包方移交，控制网点等测量成果以及国家控制点数据。
1.1.1控制点的确定
使用水平仪和长度尺确定等高线（如图1）
使用激光经纬仪、铅垂仪确定垂直线（如图2）
使用激光经纬仪校核空间交叉点（如图3）
主控点的确定：
为测量准确、方便、直观，采用内控法。在建筑外部设置主控点，在主控点位置上设置主控点标志.1.1.2控制单元的确定：
为减少安装尺寸的积累误差，有利于安装精度的控制与检测，将幕墙分成多个控制单元，每个单元以九宫格的形式划分（如图）
九宫格的边缘四个光点就是每个九宫格中九片玻璃的尺寸精度控制点。从测量放线到结构安装调整、玻璃安装调整定位都应按每个单元来进行尺寸控制。
1.1.3放线：
以确定好的控制点为基准将每对水平控制点用拉线连接，将每块竖向控制点用拉线连接。连接后的拉线在空中形成网面，用记号笔将每个网交叉点作上标记以确保在施工过程中拉线的交叉点不变。因距离太长，拉线会下垂，可进行分区放线，最后用激光仪检查放线的偏差并予以调整。
1.2钢结构的现场拼装与吊装
1.1总体设想
统筹安排，多路出击，合理布置，同步展开，安全有序，确保工期。
1.2施工分区
集中拼装，分区吊装。钢结构拼装分两个区进行拼装，具体位置待进场后与总包方商定。
1.3施工准备
1、技术准备
（1）内业准备
a.熟悉图纸、合同及规范，作为施工现场调整记录。
b.编制分部工程、钢结构的现场拼装与吊装施工组织设计，提出施工方案及作业要领、进度计划、设备机具计划、材料、构件、成品计划、用工计划。
c.进行安全、技术交底。
d.编制施工准备工作计划。
（2）基准点交接与测量放线，确定预埋件位置。
（3）预埋件验收
土建与钢桁架安装单位进行预埋件交验，并提供交验记录资料。安装单位派专业测量人员进行验收，检测预埋件的轴线与标高偏差，验收合格后方可进入吊装工序，不合格部分经业主、监理、地方质检部门现场商定处理方案签字后执行。
2、设备机具准备
（1）现场拼装设备、机具的准备
根据现场拼装机具计划，准备到位。
（2）吊装设备的选择与准备
按施工设备计划准备到位。
1.4钢结构的现场拼装
（1）由于钢构件截面和长度尺寸较大，工厂制作及长途运输困难，而且可能在长途运输过程中造成钢构件整体或局部变形而影响工程的质量和进度。因此采用部件运输，现场拼装的方法，施工现场设置拼装平台，对钢构件进行单件整体拼装，以保证工程的质量和进度。
（2）根据需要搭设组装钢平台。
（3）整体焊接
a.根据焊接工艺文件，正确选择焊接材料及焊接工艺方法。
b.复查拼装质量，定位焊质量和焊接部位的清理情况。全部合格后才能施焊。
c.依据焊接工艺文件，对拼装件进行焊接。
（4）对拼装焊缝涂装修补
现场拼装完成后，对拼装焊缝表面彻底清洁，再用120角磨机装研磨片或碗型钢丝刷等工具对焊缝表面除锈处理，除锈等级应达到Sa3的要求，并喷涂无机富锌底漆，中间漆和面漆，漆膜总厚度达到170μm。
1.5钢结构吊装方案
由于设计结构形式与艺术风格各不相同，幕墙的位置和结构形式也随之变化。钢结构的吊装也应采取不同方法。
1.施工顺序：
根据各构件的作用,先吊装主立柱和主受力杆件,再布置次龙骨及T型梁，以及玻璃肋板及杆的安装。
接件、固定耳板安装
按设计轴线及标高，分别测设屋面梁，地锚，各层水平梁的纵轴间轴线及标高，形成三维立体控制网，以满足定位的要求。测量准确定位后，将连接件，固定耳板焊接在预埋件上，要求连接件销轴孔的三维定位准确。
3.主结构架的安装
用45T汽车吊在地面进行幕墙钢架的安装。吊装前应编制吊装专项施工方案报监理、设计院审批，且应进行严格的楼面吊装状态和行走状态楼面荷载和变形验算。
4.上部桁架梁安装
每个区域的柱安装完后，经检查无误，即要安装这个区域的上部梁，按图纸要求，对号入座。
5.钢架安装允许偏差
（1）预埋件：标高10㎜，位置偏差（与设计比）20㎜。
（2）上支座：标高3.0㎜，位置偏差0㎜。
（3）下支座：标高1.0㎜。
（4）钢架上固定点：标高3.0㎜。
（5）钢架轴线位移：1.0㎜。
（6）钢架下固定点：标高1.0㎜。
（7）钢架垂直度：10m＜H≤20m，1.5㎜。
（8）两钢架间对角线差：10m＜H≤20m，0㎜。
（9）相邻两钢架间距（上、下固定点处）：1.0㎜。
（10）相邻三钢架平面度：0㎜。
1.6施工方法
根据本工程的施工内容及特点，制定以下工序进行施工：
施工准备→钢柱预制→钢梁制作→基础验收→梁柱除锈刷油→吊装找正→交工验收
（1）、施工准备
a.技术及资料的准备
在施工前，由技术员带领班组及所有有关人员认真学习图纸、施工规范及验收标准，由技术员向工人进行技术交底，让操作人员作到心中有数。
b.工程材料的准备
在开工前，将工程即将使用的材料准备好，按规格、材质分类存放，并建立台帐，实行限额领料制度，避免用错材料、超额用料。
a).工程用主材的准备
钢板、型钢等按施工进度准备。
b).工程用消耗材料的准备。
电焊条、氧气、乙炔、砂纸、钢丝刷子、砂轮片、破布、石笔、粉线、油漆等。
c.工程机具的准备
a).施工机械的准备
工程上的机具包括：电焊机、液压吊、汽车、自动切割机、空压机、烘干箱、钻床、滚板机。
b).施工用工具及小型用电动工具的准备
各种搬手、手锤、大锤、斤不落、角向磨光机、道木等。
c).预制平台的准备
由于本工程规模和特点,应准备2块6m×20m钢平台用于钢构预制。
d.施工人员的准备
施工队伍的组建立应由项目经理部和施工班组组成。
a).项目经理部
由项目经理部、技术员、材料员、核算员、保管员组成。
b).施工人员的组成
由钢构预制一、二班，焊接一、二班、吊装班、油工班组成。
（2）、钢柱的预制
a.下料
a).钢柱下料采用自动切割机下料
1.号料时留出切割余量,一般为3mm~4mm
小车轨道与钢板要保持接触稳定,不得有晃动现象。
b).型钢下料采用氧气、乙炔气割方法。
1.号料时留出切割余量3mm~5mm
切割面与型钢中心线应垂直，如下图：（工具：弯尺）
b.预制
a).钢柱的预制
1.钢柱的卷制采用滚板机进行，取需要卷管的板料，复查其外型尺寸，无误后，开始卷制。为了方便卷制，在钢板头部要加工出弧度，有利卷制，能提高质量，提高工作效率。板料垂直于滚板机滚面，开始加工时，上滚要逐渐加力，板料弧度也逐渐加大，一直到板料两头搭在一起时，对正用电焊点焊上，再用滚板机循环走几圈，经检查与样板无间隙即可。
钢筒的检查方法如下图：
检查样板的长度必须超过卷管的半径，检查时紧靠钢管内壁，查看是否有间隙，如各处均没有间隙，则此节卷管加工完毕，视为合格，否则不合格，继续加工。
3.组对
钢柱组对最关键是直线度,为了保证直线度,组对时应在对管器上进行或在V型槽上进行，如下图：
在组对之前,焊缝处必须打磨出坡口,形式如下图：
4.焊接
1)、在制作车间焊接
根据构件的形状及实际情况，要在转胎上进行加工，第一遍采用氩弧焊打底，保证焊缝焊透。自动焊盖面保证焊缝焊肉饱满、不咬肉、没有夹渣等缺陷提高焊缝质量。
如图：
2)、在施工现场组对焊接
钢柱是由δ=16mm厚的钢板卷制的，采用手工电弧焊的方法施焊，焊接遍数如下图所示：
电焊条直径与电流匹配如下：
电焊条直径φ3.2mmφ4.0mm
电流A90~130A160~210A
4.φ800弯曲钢柱的制作
φ800弯曲钢柱加工采用高频加热机械煨制的方法加工。
（3）、Ⅰ36α钢梁制作
1.下料
下料可采用下面两种方法：
1)、氧气-乙炔气割下料。
2)、可采用锯床下料。
接料
Ⅰ36α工字钢接料通常采用两种方法如下图:：
3.钻孔
使用台式钻床按照设计规格进行钻孔。
4.焊接 焊接工艺评定报告
X市工业安装工程公司
焊接编号：HP-I-14-192 指导书编号：HZ-I-14-192
焊接方法： SMAW 机械化程度： 手 工
结论：本评定按GB4708-2000 规定焊接试件、检验试样、测定性能、确定
试验记录正确
评定结果：合格
接头简图：
材料标准： GB912
钢 号： Q235-B
类、组别号：I-I与类、组别号I-I 相焊
厚 度： 14mm 电流种类：直 流
极 性： 反 接
焊接电流： 110~170（A）
电弧电压： 20~24（V）
焊材标准：GB/T5117-1995
焊材牌号： J424
焊材规格：Φ3.2-Φ4.0
焊材金属厚度： ≤28 焊接速度：（cm/min）6.5-8.6
摆动或不摆动： 摆动
摆动参数：3-5 倍焊条直径
多焊道或单焊道（每面）：多层单焊道
其 他： 28.8J/CM
拉伸试验： 试验报告编号： G94-33
试样编号试样宽度试样厚度横截面积抗拉强度断裂部位和特性
F125mm14mm350mm2460MPa母材
F225mm14mm350mm2454MPa母材
弯曲试验： 试验报告编号： G94-33
试样编号试样类型试样厚度弯心直径弯曲角度试验结果
F1面弯14mm42mm180°合格+
F2面弯14mm42mm180°合格
F3背弯14mm42mm180°合格
F4背弯14mm42mm180°合格
冲击试验： 试验报告编号： G94-33
5.除锈喷漆
a.除锈时采用喷丸除锈，质量Sa2.5 级质量水平。
b.喷漆、构件制作完毕，并经过清理、除锈后，确认合格，要马上喷涂无机富锌底漆。防止长时间放置产生锈蚀。喷涂的环境温度和相对湿度应符合产品说明书的要求，产品说明书无要求时，环境温度应在5~38℃之间，相对湿度不应大于85%，喷涂时构件表面无结露，喷涂4 小时内不应被雨淋。
第二遍底漆喷涂时，第一遍漆必须干透。
6.成品存放
a.成品存放在比较干爽的地方，不得有积水，并用塑料布遮盖，以防淋雨。
b.成品存放应根据构件的长度，在下面放置两块木方，分别设置在1/4和3/4 处，堆放层数不得超过4 层。
（4）、基础复查验收
在钢构安装之前进行基础复查验收工作，按图纸进行柱间距及标高的检验。使用工具为水平仪、盘尺和板尺。
（5）、吊装找正
a.放线：
根据施工图纸的布置，保证钢构的安装精度，在每个柱基础上划出十字线中心（间距按图纸要求），纵向1 条，横向18 条，保证垂直，以确保安装精度。
b.吊装
a).在正式吊装前，应先检查各种部件是否齐全，如：工字钢梁、垫铁、地脚螺栓、方垫。
1.钢丝绳的选择
选用6*19+1 的钢丝绳，直径为3/4 英寸，抗拉强度为155 公斤/平方毫米。其：拉断力总和不小于21150 公斤。29 米钢柱重为8971 公斤，小于所选用钢丝绳的拉断力。
2.起重机的选择
根据现场实际情况和钢柱的重心位置，现场吊车摆放位置如下图：以吊装第5 根钢柱为例：
吊装平面图如下：
根据50 吨吊车的特性表查得：主杆长度32 米，回转半径为9 米，吊装能力为12 吨，远大于钢柱9 吨吊点设在20 米的要求。
b).吊装顺序
先吊装钢柱地脚，并找正合格后，浇灌混凝土，其强度达到安装要求时吊装钢柱。
c).吊装过程（以7 轴、8 轴为例）
1.￠800 钢柱在制作场制作成两段，运到安装现场后首先要进行组对焊接成整根钢柱（根据施工现场环境条件及工期要求可用道木将￠800 钢柱保证直线度，安装哪个轴就在哪个轴附近组对，￠800 钢柱顶端沿外侧制作成半圆，高1m 护栏，为安装工字钢梁做好准备。
2.1#吊车选用50 吨地上吊车。2#吊车选用50 吨吊车，随着指挥官的发令两台吊车在同时起吊将￠800 钢柱水平吊起离开地面后，1#吊车将缓慢起升并逐渐转杆至7 轴、2#吊车主要是将￠800 钢柱下端逐渐移至7 轴，最终将￠800 钢柱吊至垂直状态吊装立面图如下：
3.将￠800 钢柱吊装至图示位置，找正垂直度，调整好接口间隙后开始焊接接口，焊好后吊车就可以摘勾了（摘勾可以不上人在地面进行摘勾）需要说明的是在吊装￠800 钢柱之前要将C 轴与7 轴相连接的工字钢梁安装完。
4.用1#吊车用吊筐将一名铆工，一名电焊工吊至已安装完的￠800 钢柱顶端的平台上准备安装工字钢梁（I36aGZGL-35）.5.安装工字钢梁GZGL-35 调整好C 轴处用螺栓连接D 轴处焊接。
6.吊装8 轴￠800 钢柱方法同7 轴相同，然后安装D 轴7 轴~8 轴之间的工字钢GZGL-59，然后安装工字钢梁GZGL-34，GZGL-33。
依次类推9 轴~18 轴，6 轴~1 轴。
c.找正，钢柱找正时，吊钩绳扣不得摘掉，以保证安全，找正时，在柱5m 高处挂上两个线坠，检验垂直度，同时再用经纬仪监测。先吊18#钢柱并找正，合格后马上吊装钢梁与钢柱相互固定，再吊17#钢柱，找正后，吊钢梁，其次是18#钢柱和17#钢柱之间的钢梁、斜支撑、拉杆等以此类推。
调整方法是调整斜铁，合格后，拧紧地脚螺栓。
（6）、交工验收
3.轨道车头整体玻璃钢模具加工方法 篇三
本发明公开一种轨道车头整体玻璃钢模具加工方法,用于城轨、地铁车头等大型玻璃钢模具的加工,属于模具生产加工技术领域。在结构设计上,采用预埋加强钢骨架支撑、整体底盘固定结构,快速完成模具曲面的数控铣削预成型,表面涂覆模型糊树脂并预埋焊接骨架,待模型糊树脂固化后去除聚苯乙烯阴模材料取得整体模具毛坯,然后依据数学模型编程,在数控龙门铣上一次装夹完成整体模具流线型曲面的精铣加工,完全由数控保证各项精度,各部曲面曲率完全符合原数学模型要求。模具尺寸精度稳定,加工周期短,整体美观,运输方便。
4.玻璃管的加工技术 篇四
关键词：微晶玻璃,可机械加工,增强
引言
20世纪70年代,G B Beall[1]和D G Crossman[2]等研制出了可加工微晶玻璃,此类微晶玻璃可借用普通金属加工机床对其进行车、铣、刨、锯、磨、钻孔等制备形状复杂的部件[3],从而使微晶玻璃在修复学的领域能得到广泛应用。特别是CAD/CAM[4]技术和快速成形技术的介入,大大缩短了修复体的加工周期,提高了加工精度,在国外得到了广泛的应用。但在应用中,可切削微晶玻璃的缺点也逐渐地暴露出来:由于云母属层状硅酸盐,层间结合力十分薄弱,故易在层间(001)面上解理,在可切削性得到提高的同时却导致了强度的下降。近年来,人们为提高可切削微晶玻璃的强度做了不少工作[5,6,7],本文阐述了可加工微晶玻璃的组成体系、制备方法、结构性能,着重介绍了可机械加工微晶玻璃增强机理的研究进展,展望了可机械加工微晶玻璃的应用前景。
1 可机械加工微晶玻璃的结构与性能
可机械加工的微晶玻璃主要是以云母为主晶相的微晶玻璃。云母的基本分子式是X0.5~1Y2~3Z4O10(OH,F)2,它是一个多远系统[8],含有碱金属或大碱土金属离子X,X是12配位的大离子,直径为0.1~0.16nm,通常为K+、Na+或Ca2+,小碱土金属离子Y或八面体配位的AL(Y)和Z离子,Z通常是AL、Si四面体之和,是4配位的网络形成剂,离子直径为0.03~0.05nm,以及O2-、OH-、F-阴离子。
云母为层状结构,结构中的Si4+部分被Al3+或B2+所取代,因而有多余的负电荷,复网层间有碱金属离子进入,起到平衡负电荷及联系复网层的作用。由于碱金属离子大多数是配位数为1的价离子,与氧的结合力很微弱,云母在复网层上易产生解理,因此可在不破坏微晶玻璃的情况下进行机械加工。除了机械加工以外,这种材料还有如下优良性能:耐高温、电绝缘性、高机械性能、抗弯强度达120MPa。
2 可机械加工微晶玻璃的制备方法及应用
云母微晶玻璃的制备方法有烧结法、熔融法和溶胶凝胶法,以熔融法用得最多[9]。用熔融法制备微晶玻璃时,可分为3个主要阶段,首先通过传统熔体冷却的方法制得含成核剂的基础玻璃,然后根据差热分析和线胀系数测试结果确定合理的热处理制度,最后根据确定的热处理制度对基础玻璃进行微晶化处理。
可机械加工微晶玻璃因其良好的理化及可机械加工性能,在生物医学、微电子技术、国防尖端技术、机械制造和化学化工等领域都有广泛的应用。在临床上,医疗修复所用替换或修补材料除了应满足生体的生物学性能、病毒与病理学性能以及综合理化性能要求外,还应能方便地精确加工成各种形状。可机械加工的生物微晶玻璃具有与人体骨齿相似的多相组织结构、良好的生物相容性及可机械加工性能,被认为是较理想的骨齿替代与修补材料。可机械加工微晶玻璃具有线胀系数易于调节、耐侵蚀、耐磨损、不导电、不导磁、比重轻等突出优点,使其在航空航天及机械密封等领域上得到较早的应用。云母微晶玻璃具有形状记忆合金的特性,材料在外力作用下会产生形变,受热会恢复到原来的形状[10]。这一发现开辟了微晶玻璃在记忆功能材料领域的应用,在高温和腐蚀性强的环境中使用这种材料比用合金更有优势。
3 可切削微晶玻璃的增强
3.1 改变热处理制度提高强度
Habelitz、Garl等[11,12,13,14]首先用热挤压的方法制备出了具有各向异性显微结构的云母微晶玻璃,将云母微晶玻璃在824℃、25MPa的压力下进行热挤压,随后在900~1100℃进行热处理,得到的试样具有明显的环状纤维结构,且片状氟金云母晶体沿垂直于挤压方向排成线状,热处理温度越高,试样径厚比越大。
梁开明等[15,16,17]用热压的方法制得了具有定向显微结构的云母微晶玻璃,从而使被残余玻璃相包围的片状云母晶体受到类似于力偶的外力矩而发生转动,从而使片状云母晶体沿垂直于受压方向分布。试样的断裂韧性KIC、维氏硬度HV及弹性模量E等在垂直于压制方向的数值比平行于压制方向的数值分别高出350%、30%及15%,其强度与断裂韧性比热压前有了很大提高。随着热处理温度的升高和压制压力的上升,抗弯强度、断裂韧性也随之提高,但试样的抗弯强度存在一最大值。关于热压、热挤压微晶玻璃的可切削性方面,热压后可切削性有所下降,这是由于定向分布的云母晶体缺乏相互交联的结构,但由于其存在强烈的环状纤维结构,使得可切削性并未显示出各向异性。
热压、热挤压的不足之处在于热处理的要求条件比较苛刻,对设备要求较高,对于工业化的生产难度较大。
3.2 金属离子替换及添加其它氧化物提高强度
除了通过改变热处理制度提高强度,还可以通过碱土金属离子(如Ca2+、Ba2+、Sr2+)等来取代碱金属离子,使层间联结强度提高,宏观表现为材料的强度提高。因为云母属层状硅酸盐,其层与层之间由碱金属离子Li+、Na+、K+等联结起来,键能小,键强低,其解理常常发生在层间(001)面上。Uno等[5]制备了Ba2+云母微晶玻璃,其抗弯强度最高可达350MPa,是传统云母微晶玻璃的2~3倍,可切削性也未见下降,李红等[18]制备了Ca云母微晶玻璃,使其抗弯强度也得到了很大的提高。断裂韧性为2.17MPa·m1/2,比目前临床用VITA提高了一倍,切削性能优良的断裂和加工断口主要是云母层间的解理断裂和准解理断裂;故切削面光滑,易于保证加工的精度。同时说明提高云母层间结合强度是此类材料增强的本质所在。目前有关用Sr2+取代的报道尚不多见,这可能与含Sr2+微晶玻璃熔制温度高(1550~1650℃)[19,20],工艺条件苛刻有一定关系。
在利用碱土金属离子取代碱金属离子提高强度的同时,我们还可以再添加一些具有增韧机理的氧化物进一步起到提高强度的作用,自从Gravie等[21]发现ZrO2的相变增韧行为以来,ZrO2增韧结构陶瓷(如Al2O3、Si3N4等)已有较大进展[22,23]。但ZrO2增韧微晶玻璃从八十年代才逐渐发展起来,ZrO2增韧可切削微晶玻璃的研究还显得很不够。李红等[18]成功制备出了一种ZrO2增韧Ca云母可切削微晶玻璃使抗弯强度达到184Mpa,断裂韧性达2.2MPa。Uno等[5]通过引入ZrO2得到了弥散分布的纳米ZrO2/云母复合微晶玻璃,这种材料强度高达500MPa,关于ZrO2在可切削微晶玻璃中的增韧机理,Uno认为是相变增韧,而Baik等[24]认为是裂纹偏转增韧,但两者都没有充分的证据来阐述自己的观点,所以还需要我们在这方面更深入实验的研究,提出更有说服性的理论依据。
3.3 掺杂其它晶相提高强度
云母微晶玻璃的可加工性能取决于析出云母晶体的纵横比和云母间的相互交错程度。一般认为,云母晶体的相互交错度越大,纵横比越大,则微晶玻璃的可加工性越好。但是由于云母晶体具有的片层状结构使得云母微晶玻璃的强度较低,因此提高云母微晶玻璃的强度成为研究的内容之一。以上两种提高强度的方法出现的较早。最近Taruta[25,26]等利用烧结法制备尖晶石/云母、堇青石/云母的复合材料,提高了材料的强度。Taruta把形成两种晶相的玻璃原料按不同比例进行混合,尝试用不同的热处理制度最终制得了可机械加工的堇青石/云母复合材料,这种材料与传统的云母微晶玻璃相比强度有了很大的提高,而且还有很好的机械加工性能。
田清波等[27]通过调整SiO2-MgO-Al2O3-K2O-F基础玻璃的组成和热处理条件,制备了云母/莫来石复合可加工微晶玻璃。应用扫描电子显微镜和X射线衍射技术研究了可加工微晶玻璃的析晶特征。结果表明:当玻璃中添加3.0%的V2O5后,在试样中同时析出莫来石和云母晶体,但没有形成莫来石/云母复合的组织。含V2O5 8.0%的玻璃在等温析晶中,从表面析出莫来石和粗大枝状的云母晶体,云母间相互交错程度较低,只有在随炉升温的情况下,云母晶体以莫来石相为核心异质生长,形成均匀分布的云母/莫来石复合微晶玻璃材料。Emad M.El Meliegy[28]利用同时结晶的方法得到云母和β-锂辉石固溶体,通过调整两项的比例得到低膨胀系数且易于切削牙科陶瓷材料。其中的β-锂辉石成份有增强基体强度的作用,所以当它的含量超过50%时就会降低其机械加工性能。通过调整β-锂辉石的含量从而得到膨胀系数小于4×10-7/℃且具有好的机械加工性能的材料。
4 结语