第三章功能玻璃材料方案

1功能玻璃是指与传统玻璃结构不同的、有某一方面独特性能的、有专门用途的、或者制造工艺有明显差别的一些新品种“玻璃”。功能玻璃材料2功能玻璃近年来发展迅速，它除了具有普通玻璃的一般性质以外，还具有许多独特的性质，如磁光玻璃的磁--光转换功能、声光玻璃的声光特性、导电玻璃的导电性、记忆玻璃的记忆特性等。3新型功能玻璃材料的开发主要依赖于如CVD、PVD、等离子溅射、溶胶凝胶、材料复合等各种高新技术、新工艺在玻璃制造中的巧妙运用。4随着材料制备手段的不断提高和发展，新技术、新工艺的出现，玻璃材料的开发日新月异，具有各种探索性能的玻璃不断的涌现出来。新型功能玻璃就是采用高纯原料、新型技术、新的制备方法或在特殊的条件下形成的具有某种特殊功能的玻璃或无机非晶态材料。5新型功能玻璃与通常玻璃相比具有许多明显的特征，主要表现在以下四个方面：(1)玻璃化方面；(2)成型方面；(3)在加工方面；(4)在用途方面。6(1)玻璃化方面通常玻璃是在大气中进行熔融而制得的，而新型功能玻璃是采用超急冷法、溶胶--凝胶法、PVD法、CVD法以及特种气氛等方法而制得的；7(2)成型方面通常玻璃主要产品是板材、管材、成瓶、成纤等，而新型功能玻璃则是微粉末、薄膜、纤维状等；8(3)在加工方面通常玻璃采用烧制、研磨、急冷强化等方法，而新型功能玻璃则采用结晶化、离子交换法、分子溅射、分相、微细加工技术等；9(4)在用途方面通常玻璃主要用于建筑、容器、光学制品等，而新型功能玻璃主要用于光电子、光信息情报处理、传感显示、精密机械以及生物工程等领域。10第一节微晶玻璃微晶玻璃是指通过玻璃热处理来控制晶体的生长发育而获得的一种多晶材料。它既有玻璃的基本性能，也有陶瓷多晶体的特征。11将加有成核剂的特定组成的基础玻璃，在一定温度下热处理后，就会变成具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料。12特殊性能的微晶玻璃材料，如零膨胀、高强度、可切削以及不同电性能的材料，可以通过下面两种方法而制得：１、控制基质玻璃成分的变化；２、控制析出晶相类型及微晶大小。13传统的微晶玻璃为Li2O--Al2O3--SiO2和MgO--Al2O3--SiO2系统，前者在玻璃中形成锂辉石、石英固溶体，这些晶体具有负膨胀系数。通过热处理，控制原始玻璃中的晶相及玻璃相的比例，可制成一系列从负到正膨胀系数的微晶玻璃。14若将晶体尺寸控制在一定范围内，则可制成透明或半透明材料。组成成分在Li2O--SiO2和Li2O--2SiO2区的微晶，利用晶体与玻璃对氢氟酸侵蚀性能的差别，通过光刻可以制成薄板电子元件。15微晶玻璃的发现是玻璃材料发展史上的一个新的里程碑，它大大地丰富了玻璃结构的研究内容，同时也开发了数以千计的微晶玻璃新材料。微晶玻璃作为先进结构材料和高性能功能材料，在国防、运输、建筑、生产、科研及生活等领域内得到了广泛应用。16二、微晶玻璃的核化、晶化与成核剂微晶玻璃的微晶化包括以下几个过程：(1)玻璃结构发生微调；(2)晶核的形成；(3)基本晶相的形成及生长；(4)介稳相转变为稳定晶相及残余玻璃。17(1)玻璃结构发生微调不改变玻璃态，但物理性能发生变化称为“预晶化”，它主要是由近程有序向远程无序微调；18(2)晶核的形成激起基本结晶相的形成，这一过程是结晶的根本；19(3)基本晶相的形成及生长这一过程，使介稳相接近于玻璃的组成；20(4)介稳相转变为稳定晶相及残余玻璃。21以上四个过程，是由两段热处理完成：第一阶段是玻璃结构微调及晶核的形成；第二阶段为均匀结晶，即核化处理及晶化处理。22微晶玻璃结晶过程中的核化与晶化多数属于非均相核化的类型。其基本原理是：加入玻璃配合料中的成核剂，在熔制过程中，均匀地溶解于玻璃熔融体中。当玻璃处在析晶温度区时，成核剂能降低晶核生成所需要克服的势垒，从而核化可以在较低的温度下进行。23这种晶化类型的特点是核化与晶化在整个玻璃体内均匀地进行，新晶相在成核剂上附析长大成为细小的晶体。微晶玻璃成核剂可分为贵金属及氧化物两大类。24三、微晶玻璃基本生产过程微晶玻璃由于产品种类不同，其具体的工艺路线也各有特点。各种微晶玻璃共同的生产工艺流程如下：25所有上述工序中，热处理是微晶玻璃生产的关键工序。配合料制备玻璃熔融成型加工微晶化处理再加工26微晶玻璃配方及生产工艺条件应满足下面的五个的要求：１、玻璃易熔制且不被污染；２、熔制及成型过程中不析晶：３、成型后的玻璃有良好的加工性能；４、微晶化处理时能迅速实现整体析晶：５、产品能满足设计的理化性能要求。27影响微晶玻璃综合性能的三大因素①原始组成的成份②微晶体的尺寸和数量③残余玻璃相的性质和数量。其中，②和③是由微晶玻璃晶化热处理技术决定。28微晶玻璃生产工序中，热处理是微晶玻璃生产的关键工序。因为微晶玻璃的结构取决于热处理的温度条件。29微晶玻璃热处理中，先后发生以下四个过程：分相晶核生成晶体生长二次结晶生长30结晶化热处理过程图热处理温度条件可以归纳为阶梯型温度处理和等温型温度处理两种类型，如下图所示：（a）阶梯温度制度（b）等温温度制度311．阶梯温度处理阶梯温度处理一般采用分段的方式进行。第一阶段是在一定温度下保温，使玻璃中产生尽可能多的晶核；第二阶段是在较高一些的温度下，令晶体生长，使基础玻璃转化为以微晶结构为主的微晶玻璃。32多数微晶玻璃经过两个阶段热处理就完成了全部结晶化过程。有时，有些微晶玻璃也需要在更高的温度下进行第三次热处理，才能得到所需设计的晶相。33低膨胀微晶玻璃热处理过程图例如，用Li2O--Al2O3--SiO2系统生产低膨胀微晶玻璃时，就要分三个阶段热处理才能得到不透明的制品，如下图所示。342．等温处理某些系统的基础玻璃，由于晶核形成的温度区域与晶体生长的温度区域重叠。因此，在它们共同范围中的某一温度下，能同时进行晶核形成和晶体生长两个过程。35当基础玻璃中的晶核形成和晶体生长两个过程同时进行时，可以采用等温处理来进行微晶化处理。热处理时，应注意选择适当的晶化速度，以避免制品软化变形或应力过大而破裂。36四、微晶玻璃制备工艺生产方法压延法：烧结法：37将生料融成玻璃液，然后将玻璃液压延，经热处理再切割成板材。压延法38先将生料熔融成玻璃液，淬冷成碎料，然后将碎料倒入模具铺平，放入窑炉中热处理得到微晶玻璃板材。烧结法39压延法能连续流水生产、热耗低，但品种单一；烧结法能做到品种多样，但工艺复杂，对模具要求高，成品气泡多是其主要的弱点。压延法和烧结法优缺点40五、复相微晶玻璃传统的微晶玻璃是通过高温熔融获得玻璃后再经过热处理得到的。随着溶胶--凝胶科学技术的发展，微晶玻璃的研究领域也大大扩展。41近年来，利用溶胶--凝胶方法获得了一系列重要的微晶玻璃材料，尤其是在非线性光学、功能材料、电子材料等领域。这些新型的微晶玻璃展示了重要的应用前景和特有的科学研究价值。42复相微晶玻璃是在复相陶瓷的基础上提出的，它是一类重要的具有独特性能的新型微晶玻璃。从广义上讲，复相微晶玻璃是指微晶功能相同玻璃相之间通过相的复合，从而获得具有一系列特殊性能的新型功能材料。43复相微晶玻璃按照功能相的不同进行分类，主要有以下几种。(1)金属单质复相微晶玻璃(2)氧化物半导体复相微晶玻璃(3)化合物半导体复相微晶玻璃(4)铁电复相微晶玻璃(5)铁磁复相微晶玻璃44第二节光导纤维玻璃玻璃光导纤维是重要的高科技纤维之一，它已成为现代光通信领域不可缺少的纤维材料。45玻璃是制造光导纤维的基本材料，制造光导纤维的玻璃有特定的要求，它必须有高度的光学均匀性和透明性，满足一定光学常数要求，良好的化学稳定性及机械强度等，因而制造光导纤维的玻璃形成了新型玻璃材料的一个重要区域。46光纤传输系统一般由三部分组成：①光信号发送端；②用于传送光信号的光纤；③光信号的接收端。一、光纤传输系统的构成47由于光纤通信具有容量大、质量高、抗干扰能力强、保密性好等优点，目前，光缆已逐渐取代了由金属构成的明线和电缆，成为承载电话、传真、图像、数据等各类通信业务的基础。48二、光纤的结构光纤(fiber)—光导纤维的简称。材料-----由高纯度的石英玻璃为主,掺少量杂质锗、硼、磷等。形状-----细长的圆柱形，细如发丝(通常直径为几微米到几百微米)。49纤芯包层涂覆层典型的光纤结构自内向外为纤芯、包层及涂覆层。通常，在涂覆层包层外面还有一层起支撑保护作用的套层。n1n2n2n1n250包层的外径一般为125μm(一根头发平均100μm)，在包层外面是5-40um涂覆层，涂覆层的材料是环氧树脂或硅橡胶。纤芯包层涂覆层51常用的62.5/125μm多模光纤，指的就是纤芯外径是62.5μm，加上包层后外径是125μm。而单模光纤的纤芯是4~10μm，外径也是125μm。纤芯包层涂覆层52注意：纤芯和包层是不可分离的，纤芯与包层合起来组成裸光纤，光纤的光学及传输特性主要由它决定。用光纤工具剥去外皮（Jacket）和塑料层（Coating）后，暴露在外面的是涂有包层的纤芯。实际上，我们是很难看到真正的纤芯的。纤芯包层涂覆层53光纤的分类从材料成分分类玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。计算机通信中常用的是玻璃光纤。54三、光缆光纤传输系统中直接使用的是光缆而不是光纤。一根光缆由一根直至多根光纤组成，外面再加上保护层。光缆中有1根光纤（单芯）、2根光纤（双芯）、4根光纤、6根光纤、甚至更多光纤的（48根光纤、1000根光纤），一般单芯光缆和双芯光缆用于光纤跳线，多芯光缆用于室内室外的综合布线。551、两种介质相比，我们把光速大的介质叫做光疏介质，光速小的介质叫光密介质。2、光疏和光密是相对而言的。空气的折射率为1，水的折射率为1.33，玻璃的折射率是1.5。则水对空气而言为光密介质，水对玻璃而言又是光疏介质。四、光纤传光原理56光纤传光原理－内全反射光的全反射：根据几何光学原理，当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质(即n1＞n2)时(见图)，则一部分入射光将以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。572211sinsinnn依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有58当θ1角逐渐增大，直至θ1=θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(θ2=90°)。对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc；由式：得出：2211sinsinnn12sinnnc592211sinsinnn12sinnnc由上面两式可见，当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。60入射光反射光折射光折射率n1折射率n2n1n2θ1光纤内全反射原理示意图当n1n2，θ1θc时，发生全反射。θc：临界角61n1n2空气ABθMAX只要满足内全反射条件，连续改变入射角的任何光射线都能在光纤纤芯内传输。光纤内全反射原理示意图62NAnnnc222101sin2211sinsinnn由上面两式可导出光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现内全反射的临界角(始端最大入射角)为：式中NA——定义为“数值孔径”。12sinnnc63它是衡量光纤集光性能的主要参数。即：无论光源发射功率多大，只有2θc张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤的集光能力愈强。产品光纤通常不给出折射率，而只给出NA。石英光纤的NA=0.2～0.4。数值孔径的物理意义NAnnnc222101sin64第三节光色玻璃物质在触及到光或者被光遮断时，其化学结构发生变化，其中的部分吸收光谱发生改变。65我们把出现可逆的或不可逆的显色、消色现象的物质称为光致变色材料。光色玻璃就是其中的一类光致变色材料。66当受紫外线或日光照射时，由于玻璃