微晶玻璃：用途广泛的高科技材料

玻璃家族中有个与众不同的成员，名叫微晶玻璃。它具有与普通玻璃不同的结构，生就一种特殊的性格。它硬度高，抗弯强度是普通玻璃的7～12倍。它耐高温性能好，软化温度高达1000℃，即使达到900℃高温，突然投入水中也不会炸裂。它的膨胀系数可以调节，甚至可使其膨胀系数为零。它不但电性能优异，还可以用来制作雕刻艺术品，在它身上打出成千上万个微孔也不是一件难事。所以，微晶玻璃在生产中有许多独特的应用。

那么，微晶玻璃是怎样发明的呢？

50年代初，在世界上享有盛誉的美国康宁玻璃公司为了开发新型玻璃，抽调一批精干的科研人员，组成了研究发展中心。化学家斯托凯受命在该中心负责研制含微量银的感光玻璃。所谓感光玻璃，就是一种能感光显色的新型玻璃。这种玻璃经紫外线照射感光后，再经热处理，就能显示出美丽的影像，不但色泽鲜艳，而且永不褪色。

一天，斯托凯正在实验室做热处理试验。按工艺规程要求，热处理时加热温度为玻璃软化温度以下50～100C，保温时间为1～2小时。斯托凯把一块玻璃放入自动控制温度的电炉中，将温度控制仪上的加热温度调整为600C。这种温度控制仪的工作原理是：一旦炉温超过设定的温度，比方说600C，它会自动切断电源，停止加热；而当温度下降到低于600C时，又自动接通电源。这样一会儿断电一会儿通电，就把炉温保持在600C左右。

现在，斯托凯一切准备就绪，他关上炉门，接通电源，电炉开始升温。突然，传来一阵急促的电话铃声，原来是通知他立即去开会。按照实验室规定，电炉在加热时工作人员不能离开岗位，但斯托凯想，反正有温度控制仪，就明知故犯地离开实验室去开会了。当他重返实验室时，不禁大吃一惊，控制仪失灵，炉内温度早已升到900C，真是糟糕透顶。不仅实验失败，而且熔融玻璃会粘住炉膛，损坏电阻丝，后果十分严重。

斯托凯非常懊恼，赶紧打开炉门，意外的事情发生了：玻璃没有熔融，还是直挺挺地躺在炉内，但已面目全非，样子有点像不透明的瓷砖，用钳子夹起来不是软绵绵的而是硬邦邦的，敲起来还会发出像金属那样的声音。

这块玻璃究竟发生了什么变化？经过仔细的研究和反复试验，斯托凯在显微镜下观察到：这块玻璃中析出了大量的微小晶体，这就是后来大名鼎鼎的微晶玻璃。

顾名思义，微晶玻璃是由微小晶体组成的玻璃。由于这种玻璃具有与陶瓷相似的结构，所以又称为“玻璃陶瓷”。

我们知道，玻璃属于非晶态的固态物质。在玻璃制造过程中，由于冷却太快，内部分子来不及排列成整齐的队伍就凝固了，所以基本上还是液态时的结构，显得杂乱无章。只不过玻璃中的分子运动起来不能像在液态中那样自由自在，只能在原地“踏步”，因此形象地说，玻璃是“被冻结的液体”。

但是，玻璃的这种结构是不稳定的，在一定条件下，玻璃还是要让分子按照一定规则排列起来，析出晶体。这正像水总是从高处流向低处，结晶是玻璃的自然趋势。

什么条件下玻璃才能析出晶体呢？空气中的水汽要以尘埃作为凝聚的核心，才能形成水滴。同样，玻璃结晶也要有适当的核心，除了玻璃的自身成分可以作为结晶核心外，金、银、铜等金属元素和氧化钛、氧化锆等氧化物也可作为结晶核心。当然，要使玻璃析出晶体，还要在成分、温度、能量等方面满足一定的条件，一般在900～1100℃温度范围内比较容易析出晶体。

制造微晶玻璃，就是要创造玻璃结晶的条件。首先要确定微晶玻璃的化学成分，并事先加入微量的金属元素或氧化物作为结晶核心。然后在玻璃熔炼、成型后，用紫外线照射，再进行热处理，给予一定的能量条件，使结晶核心像种子发芽一样，生长出许多微小的晶体，其直径通常不超过2微米，只有头发丝粗细的几十分之一。这种要经过紫外线照射才能制成的微晶玻璃，称为“光敏微晶玻璃”。不用紫外线照射，只通过热处理也可以制成微晶玻璃，这种微晶玻璃称为“热敏微晶玻璃”。目前已有1000多种不同成分的微晶玻璃，具有各种不同的性能，但万变不离其宗，微晶玻璃的性能都同微小晶体的存在有关。(www.xing528.com)

在玻璃中加入微量的感光性贵金属银作为结晶核心，可制成透明的光敏微晶玻璃。在这种玻璃上面覆盖一张照相底片，放到紫外线下照射一定的时间，使玻璃中照到紫外线的地方形成银原子的潜象，成为以后析出微小晶体的核心。再经热处理，玻璃中照到紫外线的地方便析出微小晶体，玻璃上出现乳白色的图像；而未照到紫外线的那部分玻璃没有结晶，仍然是透明的。这种玻璃的结晶部分和未结晶部分在性能上有很大的差别，在氢氟酸中的溶解能力大不一样，前者比后者要大20多倍。将这块玻璃浸入氢氟酸，由于结晶部分容易被氢氟酸腐蚀掉，而未结晶部分岿然不动，玻璃上便形成了与底片上一样的精美雕刻图案，其水平绝不亚于专门从事雕刻的能工巧匠。

利用这种化学蚀刻技术，可以对玻璃进行刻花和精密加工。例如，在指甲那么大的玻璃上可打出上万个小网眼，网眼的直径小到连头发丝都穿不过。此外，还能打出各种形状的孔眼，如方孔眼、三角孔眼等。

由于光敏微晶玻璃具有良好的电学性能和化学加工性能，故常用来制造印刷线路的基片和镂板，为电子工业的固体电路微型化作出贡献。光敏微晶玻璃还能用来制造射流元件，为实现气动控制自动化立下汗马功劳。用光敏微晶玻璃制成的高级装饰品和艺术珍品，更受到人们的欢迎。

天文学家常用反射式望远镜观察天体，这种望远镜中有一面巨大的凹镜，用于聚集来自遥远星体的微弱光线。凹镜愈大，能够集中的光线愈多，看到宇宙的范围愈大，成像愈明亮清晰。自从1668年牛顿发明反射式望远镜以来，凹镜的直径做得愈来愈大。在本世纪40年代后期，世界上第一台大型反射式望远镜建成，它的凹镜直径为5米，净重13吨，连同其他部件，望远镜总重达530吨，安装在美国帕洛玛山天文台。这台望远镜能接收到几十亿光年远处发出的极微弱的光线，比人眼灵敏100万倍。

但这台反射式望远镜有一个缺点。其凹镜采用的是普通光学玻璃，这种玻璃膨胀系数较大，因此凹镜的准确形状和尺寸精度会受气温的影响而发生变化，从而会改变光的路线，使成像的清晰度降低。

微晶玻璃的膨胀系数很小，这是因为微晶玻璃在热处理过程中会析出具有“热缩冷胀”性质的微晶颗粒，和一般玻璃材料的“热胀冷缩”的特性正好相反。因此通过调节可以使这两种特性相互抵消，制成膨胀系数为零的微晶玻璃。用这种微晶玻璃制成的凹镜，其精确度不会受到温度影响。于是，微晶玻璃又有了一个用武之地，它是制作大型反射式望远镜凹镜的理想材料。

我国在1978年用超低膨胀系数微晶玻璃制成了凹镜直径为2．2米的反射式望远镜，安装在北京天文台，使我国进入了为数不多的能制造这类大型微晶玻璃凹镜的国家的行列。

这种超低膨胀系数的微晶玻璃还广泛用于厨房用具、热工仪表、医学和建筑材料等方面，如果制成餐具或烧锅，急冷急热都不用担心炸裂。它强度、硬度高，耐磨性好，常用来做钟表和精密仪器中的轴承，作为贵重的红宝石的代用品。

我们知道，导弹是一种命中率极高、杀伤力很大的现代化武器。为什么导弹的命中率会那么高呢？原来，导弹的头部装有一个由敏感系统、测量系统、控制系统、执行机构等电子装置组成的制导系统，它可以精确地控制和修正导弹的飞行方向。但导弹在大气中飞行，其头部因与空气摩擦而产生相当高的温度，因此在导弹的头部有一个流线型防护罩，用以保护装在其内的制导系统。防护罩要满足很高的要求，它既要能让微波信号透过，又要抗高温，以保证其内部的电子装置在导弹高速飞行时能正常工作。

微晶玻璃具有良好的成型性，容易加工成尺寸精确、材质均匀的零件。它比重小，抗弯强度高，在短时间内可经受120℃的高温考验。用它来制作防护罩，在导弹高速飞行时能辐射大量的热，从而降低工作温度。因此，微晶玻璃是一位名副其实的导弹头部的“保护神”。