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第三章功效玻璃资料演讲

浏览次数:     时间:2019-07-26

  功能玻璃材料 功能玻璃是指取保守玻璃布局分歧的、有某 一方面奇特机能的、有特地用处的、或者制制工 艺有较着不同的一些新品种“玻璃”。 1 功能玻璃近年来成长敏捷,它除了具有普 通玻璃的一般性质以外,还具有很多奇特的性 质,如磁光玻璃的磁--光转换功能、声光玻璃的 声光特征、导电玻璃的导电性、回忆玻璃的记 忆特征等。 2 新型功能玻璃材料的开辟次要依赖于如 CVD、PVD、等离子溅射、溶胶凝胶、材 料复合等各类高新手艺、新工艺正在玻璃制制 中的巧妙使用。 3 跟着材料制备手段的不竭提高和成长,新技 术、新工艺的呈现,玻璃材料的开辟日新月异, 具有各类摸索机能的玻璃不竭的出现出来。 新型功能玻璃就是采用高纯原料、新型手艺、 新的制备方式或正在特殊的前提下构成的具有某种 特殊功能的玻璃或无机非晶态材料。 4 新型功能玻璃取凡是玻璃比拟具有很多明 显的特征,次要表示正在以下四个方面: (1)玻璃化方面; (2)成型方面; (3)正在加工方面; (4)正在用处方面。 5 (1)玻璃化方面 凡是玻璃是正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法以及特种氛围等方式而制得的; 6 (2)成型方面 凡是玻璃次要产物是板材、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; 7 (3)正在加工方面 凡是玻璃采用烧制、研磨、急冷强化等方 法,而新型功能玻璃则采用结晶化、离子互换 法、溅射、分相、微细加工手艺等; 8 (4) 正在用处方面 凡是玻璃次要用于建建、容器、光学成品等, 而新型功能玻璃次要用于光电子、光消息谍报处置、 传感显示、细密机械以及生物工程等范畴。 9 第一节 微晶玻璃 微晶玻璃是指通过玻璃热处置来节制晶体 的发展发育而获得的一种多晶材料。它既有玻 璃的根基机能,也有陶瓷多晶体的特征。 10 将加有成核剂的特定构成的根本玻璃,正在 必然温度下热处置后,就会变成具有微晶体和 玻璃相平均分布的复合材料。 11 特殊机能的微晶玻璃材料,如零膨缩、高 强度、可切削以及分歧电机能的材料,能够通过 下面两种方式而制得: 1、节制基质玻璃成分的变化; 2、节制析出晶相类型及微晶大小。 12 保守的微晶玻璃为Li2O--Al2O3--SiO2和MgO-- Al2O3--SiO2系统,前者正在玻璃中构成锂辉石、石 英固溶体,这些晶体具有负膨缩系数。 通过热处置,节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缩系数的微 晶玻璃。 13 若将晶体尺寸节制正在必然范畴内,则可制成 通明或半通明材料。 构成成分正在Li2O--SiO2和Li2O--2SiO2区的微 晶,操纵晶体取玻璃对氢氟酸机能的不同, 通过光刻能够制成薄板电子元件。 14 微晶玻璃的发觉是玻璃材料成长史上的一个新 的里程碑,它大大地丰硕了玻璃布局的研究内容, 同时也开辟了数以千计的微晶玻璃新材料。 微晶玻璃做为先辈布局材料和高机能功能材料, 正在国防、运输、建建、出产、科研及糊口等范畴内 获得了普遍使用。 15 二、微晶玻璃的核化、晶化取成核剂 微晶玻璃的微晶化包罗以下几个过程: (1)玻璃布局发生微调; (2)晶核的构成; (3)根基晶相的构成及发展; (4)介稳相改变为不变晶相及玻璃。 16 (1)玻璃布局发生微调 不改变玻璃态,但物能发生变化称 为“预晶化”,它次要是由近程有序向近程 无序微调; 17 (2) 晶核的构成 激起根基结晶相的构成,这一过 程是结晶的底子; 18 (3)根基晶相的构成及发展 这一过程,使介稳相接近于玻 璃的构成; 19 (4)介稳相改变为不变晶相及玻璃。 20 以上四个过程,是由两段热处置完成: 第一阶段是玻璃布局微调及晶核的构成; 第二阶段为平均结晶,即核化处置及晶化处置。 21 微晶玻璃结晶过程中的核化取晶化大都属于非 均相核化的类型。 其根基道理是:插手玻璃共同猜中的成核剂, 正在熔制过程中,平均地消融于玻璃熔融体中。当玻 璃处正在析晶温度区时,成核剂能降低晶核生成所需 要降服的势垒,从而核化能够正在较低的温度下进行。 22 这种晶化类型的特点是核化取晶化正在整个玻璃体 内平均地进行,新晶相正在成核剂上附析长大成为藐小 的晶体。 微晶玻璃成核剂可分为贵金属及氧化物两大类。 23 三、微晶玻璃根基出产过程 微晶玻璃因为产物品种分歧,其具体的工艺 线也各有特点。 各类微晶玻璃配合的出产工艺流程如下: 24 共同料制备 玻璃熔融 成型 再加工 微晶化处置 加工 所有上述工序中,热处置是微晶玻璃出产 的环节工序。 25 微晶玻璃配方及出产工艺前提应满脚下面的五 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、成型后的玻璃有优良的加工机能; 4、微晶化处置时能敏捷实现全体析晶: 5、产物能满脚设想的理化机能要求。 26 影响微晶玻璃分析机能的三大体素 ①原始构成的成份 ②微晶体的尺寸和数量 ③玻璃相的性质和数量。 此中,②和 ③是由微晶玻璃晶化热处置手艺决定。 27 微晶玻璃出产工序中,热处置是微晶玻璃出产 的环节工序。由于微晶玻璃的布局取决于热处置的 温度前提。 28 微晶玻璃热处置中,先后发生以下四个过程: 分相 晶核生成 晶体发展 二次结晶发展 29 热处置温度前提能够归纳为阶梯型温度处 理和等温型温度处置两品种型,如下图所示: (a)阶梯温度轨制 (b)等温温度轨制 结晶化热处置过程图 30 1.阶梯温度处置 阶梯温度处置一般采用分段的体例进行。 第一阶段是正在必然温度下保温,使玻璃中发生 尽可能多的晶核; 第二阶段是正在较高一些的温度下,令晶体发展, 使根本玻璃为以微晶布局为从的微晶玻璃。 31 大都微晶玻璃颠末两个阶段热处置就完 成了全数结晶化过程。 有时,有些微晶玻璃也需要正在更高的温 度下进行第三次热处置,才能获得所需设想 的晶相。 32 例如,用Li2O--Al2O3--SiO2系统出产低膨缩微 晶玻璃时,就要分三个阶段热处置才能获得欠亨明 的成品,如下图所示。 低膨缩微晶玻璃热处置过程图 33 2.等温处置 某些系统的根本玻璃,因为晶核构成的温度区 域取晶体发展的温度区域堆叠。因而,正在它们配合 范畴中的某一温度下,能同时进行晶核构成和晶体 发展两个过程。 34 当根本玻璃中的晶核构成和晶体发展两个过 程同时进行时,能够采用等温处置来进行微晶化 处置。 热处置时,应留意选择恰当的晶化速度,以 避免成品软化变形或应力过大而分裂。 35 四、微晶玻璃制备工艺 出产方式 压延法: 烧结法: 36 压延法 将生料融成玻璃液,然后将玻璃液 压延,经热处置再切割成板材。 37 烧结法 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 炉中热处置获得微晶玻璃板材。 38 压延法和烧结法优错误谬误 压延法能持续流水出产、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,成品气泡多是其次要的弱 点。 39 五、复相微晶玻璃 保守的微晶玻璃是通过高温熔融获得玻璃后 再颠末热处置获得的。跟着溶胶--凝胶科学手艺 的成长,微晶玻璃的研究范畴也大大扩展。 40 近年来,操纵溶胶--凝胶方式获得了一 系列主要的微晶玻璃材料,特别是正在非线 性光学、功能材料、电子材料等范畴。这 些新型的微晶玻璃展现了主要的使用前景 和特有的科学研究价值。 41 复相微晶玻璃是正在复相陶瓷的根本上提出的, 它是一类主要的具有奇特机能的新型微晶玻璃。 从广义上讲,复相微晶玻璃是指微晶功能不异 玻璃相之间通过相的复合,从而获得具有一系列特 殊机能的新型功能材料。 42 复相微晶玻璃按照功能相的分歧进行分 类,次要有以下几种。 (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 43 第二节 光导纤维玻璃 玻璃光导纤维是主要的高科技纤维之一, 它已成为现代光通信范畴不成贫乏的纤维材料。 44 玻璃是制制光导纤维的根基材料,制制光导 纤维的玻璃有特定的要求,它必需有高度的光学 平均性和通明性,满脚必然光学要求,优良 的化学不变性及机械强度等,因此制制光导纤维 的玻璃构成了新型玻璃材料的一个主要区域。 45 一、光纤传输系统的形成 光纤传输系同一般由三部门构成: ①光信号发送端; ②用于传送光信号的光纤; ③光信号的领受端。 46 因为光纤通信具有容量大、质量高、抗干扰 能力强、保密性好等长处,目前,光缆已逐步取 代了由金属形成的明线和电缆,成为承载德律风、 传实、图像、数据等各类通信营业的根本。 47 二、光纤的布局 光纤(fiber)—光导纤维的简称。 材料-----由高纯度的石英玻璃为从, 掺少量杂 质锗、硼、磷等。 外形-----细长的圆柱形,细如发丝(凡是曲径为 几微米到几百微米)。 48 典型的光纤布局自内向外为纤芯、包 层及涂覆层。 凡是,正在涂覆层包层外面还有一层起 支持感化的套层。 n2 n1 n2 纤芯 包层 涂覆层 n2 n1 49 包层的外径一般为125μm(一根头发平 均100μm),正在包层外面是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 50 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 51 留意:纤芯和包层是不成分手的,纤芯取包层 合起来构成裸光纤,光纤的光学及传输特征次要 由它决定。 用光纤东西剥去外皮(Jacket)和塑料层 (Coating)后,正在外面的是涂有包层的纤芯。 现实上,我们是很难看到实正的纤芯的。 纤芯 包层 涂覆层 52 光纤的分类 从材料成分分类 玻璃光纤:纤芯取包层都是玻璃,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:纤芯取包层都是塑料,损耗大, 传输距离很短,价钱很低。多用于家电、声响, 以及短距的图像传输。 计较机通信中常用的是玻璃光纤。 53 三、光缆 光纤传输系统中间接利用的是光缆而不是光纤。 一根光缆由一根曲至少根光纤构成,外面再加 上层。 光缆中有1根光纤(单芯)、2根光纤(双芯)、 4根光纤、6根光纤、以至更多光纤的(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 光缆用于室阁房外的分析布线 四、光纤传光道理 1、两种介质比拟,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。 55 光纤传光道理-内全反射 光的全反射:按照几何光学道理,当光线)时 (见图),则一部门入射光将以折射角θ2折射入介质2, 其余部门仍以θ1反射回介质1。 56 根据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律,有 n1 sin ?1 ? n2 sin ? 2 57 当θ1比赛步增大,曲至θ1=θc时,透射入介质2的 折射光也逐步折向界面,曲至沿界面 (θ2=90°)。 对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc;由式: 得出: n1 sin ?1 ? n2 sin ? 2 n2 ? n1 sin ? c 58 n1 sin ?1 ? n2 sin ? 2 sin ? c 由两式可见,当θ1>θc时,光线,而正在介质(纤芯)内发生持续向前的全 反射,曲至由终端面射出。这就是光纤传光的工 做根本。 n2 ? n1 59 光纤内全反射道理示企图 当n1n2,θ1 θc时,发生全反射。 θc:临界角 n1 n2 折射光 折射率n2 折射率n1 θ1 反射光 入射光 60 光纤内全反射道理示企图 只需满脚内全反射前提,持续改变入射角 的任何光射线都能正在光纤纤芯内传输。 n2 空气 θ A B MAX n1 61 n1 sin ?1 ? n2 sin ? 2 sin ? c n2 ? n1 由两式可导出光线)射入纤芯时实现内全反射的临界角(始 端最大入射角)为: 1 2 2 sin ? c ? n1 ? n2 ? NA n0 式中NA——定义为“数值孔径”。 62 数值孔径的物理意义 1 2 2 sin ? c ? n1 ? n2 ? NA n0 它是权衡光纤集光机能的次要参数。即: 无论光源发射功率多大,只要2θc张角内的光, 才能被光纤领受、(全反射);NA愈大,光纤 的集光能力愈强。 产物光纤凡是不给出折射率,而只给出NA。 石英光纤的NA=0.2~0.4。 63 第三节 光色玻璃 物质正在触及到光或者被光遮断时,其 化学布局发生变化,此中的部门接收光谱 发生改变。 64 我们把呈现可逆的或不成逆的显色、 消色现象的物质称为光致变色材料。 光色玻璃就是此中的一类光致变色 材料。 65 当受紫外线或日光映照时,因为玻璃正在 可见光区发生光接收而从动变色; 当光照遏制时,玻璃能可逆地从动恢复 到初始的通明形态。 具有这种性质的玻璃称为光致变色玻璃 (也称光色玻璃)。 66 一、光致变色道理 光色玻璃的光色特征是很多可变量的函 数,这些可变量包罗玻璃的根本组分、光敏 相的品种和聚焦形态、分相热处置前提以及 其他很多要素。 67 光色玻璃的变色过程和过程有一些 类似。 正在中,入射光子将菲林上的银离子 分化成为银原子和卤素,通过显影的化学反 应,把卤素从本来的扩散出去,这一过 程是不成逆的。 68 正在光色玻璃中,光子也将银离子变为银原子, 但卤素并没有从晶体--玻璃的界面上扩散出去, 仍存正在于银原子附近; 当光照去除后,卤素仿照照旧能够和银连系成卤 化物。 69 光接收峰值和玻璃所含碱类相关,跟着碱金 属离子半径的添加接收带峰值向长波区域漂移; 分歧的卤化银对玻璃的光色机能也有影响, 光接收峰值跟着卤素原子序数的添加而向长波区 延长。 70 为了使玻璃具有优良的光色性,即提高对激 活辐射的活络度和加速色心的速度,正在玻璃 成分中常常添加敏化剂。 此中,Cu2O是最无效的敏化剂之一。 71 此外,对于光色玻璃,一般要求它们具有 两个前提: A、当根本玻璃正在高温熔化时,卤化银有 较高消融度; B、当温度降低时则使卤化银能从玻璃中 析出。 72 卤化物敏化的光色玻璃有很多长处, 此中最凸起的是它们正在利用过程中不易 发生委靡。 73 二、光色玻璃制做工艺 一般光色玻璃采用熔融法出产,它的根基流程为: 根本玻璃共同料 必然的氛围下高温 毛坯成型 按产物要求进行精加工 进行变色机能热处置 退火 74 根本玻璃共同料 必然的氛围下高温 毛坯成型 按产物要求进行精加工 进行变色机能热处置 退火 此中,根本玻璃应包罗变色构成及需要的敏化 剂等;别的,变色机能热处置后,仅当银颗粒正在 10--20 um时才有光色效应。 75 除了利用熔融法制制光色破璃外,还可用离 子互换法将含有卤素、银的Na2O--Al2O3--B2O3-SiO2玻璃浸入AgNO3熔盐,使Na+取Ag+互换, Ag+进入玻璃概况层,再经热处置使银取卤素堆积 成AgX微晶体。 76 热处置是光色玻璃制制中的次要工序。 未经热处置的光色破璃,因此中变色构成颗 粒较小(例如银颗粒小于5 um),没有光色效应。 经热处置后,颗粒长大到必然的尺寸范畴 (例如银颗粒正在10--20 um)才有光色效应。 77 热处置的温度和时间次要由玻璃的温度--粘 度关系决定。 玻璃的热处置温度凡是正在改变点和软化点 之间,即高于退火温度20--l00℃。 78 玻璃的热处置时间正在较高温度下只需几分钟, 正在较低的温度下需要几小时。 正在一般环境下,都避免利用过高的温度,以 防止玻璃变形或者乳浊。 79 三、无银的光色玻璃 虽然卤化银光色玻璃有很多长处,但正在许 多使用场所因为用量大,如高级建建物的玻璃 窗、汽车的挡风玻璃等,需要花费大量的银, 从而经济上不克不及承受,因而必需鼎力开辟无银 的光色玻璃。 80 正在无银的玻璃插手一些变价的金属氧化物 如Ce、Eu、Mn、W、Mo等的氧化物,制成的 玻璃颠末热处置或用紫外线辐照后,玻璃就会 具有光色机能。 81 由于热处置(或紫外线辐照)后,正在玻璃中形 成了着色核心。 着色核心正在77K温度下均为不变的,而正在> 60℃时则全数不变的。 着色核心构成之后,使得玻璃正在可见光波段 的光敏性添加,发生了附加接收。 82 例如,用一价铜离子做为添加剂插手玻璃共同 猜中,获得卤化铜光色玻璃。 这种玻璃未经热处置时,正在紫外、可见光波段 均为通明的; 热处置后,通明度显著下降,并呈现乳光,且 接收限向长波标的目的挪动。 83 可是,卤化铜光色玻璃即便正在加工时,也 会发觉接收取乳光加强现象,这对现实使用是 晦气的。 可是,卤化铜光色玻璃的长处是具有比力 快的变暗速度和褪色速度,并且变暗幅度也大。 84 正在无银的、添加变价金属氧化物制成的各类 光色玻璃中,以添加Ce3+、Eu2+离子的光色玻璃 的光敏性最低。 有人还研究了以镉硼硅酸盐为基的光色玻璃, 这种玻璃的光化学特征很是不变,正在1250次变暗-- 褪色轮回后,其光色性仍然无缺。 85 三、玻璃半导体的特征 (1)玻璃半导体的伏安特征 (2)玻璃半导体存贮器件的特征 86 (1)玻璃半导体的伏安特征 因为玻璃半导体的品种分歧,其电机能 也分歧,此次要表示正在“开关效应” 和“存 贮效应”两个方面 。 87 开关效应 原先处于兆欧级高阻绝缘态(“关态”)的玻 璃半导体,当外加电压跨越必然数值(阀值)时, 就会正在l0-9 s 内,变成只要几个欧姆的低电阻态 (“开态”),这种特征称为“开关效应”。 88 存贮效应 当玻璃半导体由高阻绝缘态变成低阻态后, 不需要维持电压便能永世地连结正在低阻态,具有 永世回忆特征。 玻璃半导体的这种特殊性质称为 “存贮效 应”。 89 然而,对于具有“存贮效应”的玻璃半 导体来说,若是瞬时对其加一个大脉冲电流 后,它又会恢复到兆欧级的高阻态。 操纵这种凹凸阻态可逆变化的特征可制 做电存贮器件。 90 存贮效应发生的缘由 硫系玻璃正在阀值电压感化下较容易晶 化,构成小的晶态区域,俗称导电丝; 91 导电丝的曲径凡是为3--5 um,它的电 导率比玻璃态区域高几个数量级,达到低 阻态; 因为脉冲电流的感化,使已构成的导 电丝从头熔化掉,从而达到高阻态,故可 以频频存贮。 92

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