特種玻璃2014

1、2024/4/1,1,特 種 玻 璃,2024/4/1,2,1.玻璃,1.1 什么是玻璃？ 玻璃是熔融、冷卻、固化后的得到的非結(jié)晶無機(jī)物。是一種具有無規(guī)則結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)固體。 ——是來不及結(jié)晶的“液體”。,,2024/4/1,3,,無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說 微晶學(xué)說,玻璃結(jié)構(gòu),扎哈里亞森(Zachariasen)(1932年)和列別捷夫(А

2、.А.Лебедев)(1921年),2024/4/1,4,,1.2 特征 各向同性； 無固定熔點(diǎn)； 亞穩(wěn)態(tài)； 變化可逆； 可變性（成分與性能依存性變化）。1.3 原料 主要原料：純堿、石灰石、石英、硼砂、硼酸、芒硝、白云石、碳酸鋇、鉛丹等。 輔助原料：澄清劑、著色劑、脫色劑、乳濁劑、加速劑等等。,2024/4/1,5,,1.4 加工工藝 原料加工——熔煉——成型——退火 壓

3、制法：玻璃毛坯、小型園盒、園片; 吹制法：瓶、罐、酒具; 拉制法：玻璃絲、管、棒、小薄片; 壓延法：壓花平板玻璃、攤薄玻璃; 澆注法：不規(guī)則玻璃毛坯、藝術(shù)玻璃; 燒結(jié)法：玻璃粉壓坯燒結(jié)、微晶玻璃; 浮法：平板玻璃生產(chǎn)。,2024/4/1,6,玻璃的生產(chǎn),,2024/4/1,7,玻璃的生產(chǎn),,2024/4/1,8,玻璃的生產(chǎn),,2024/4/1,9,2. 特種玻璃,2.1 主要

4、特點(diǎn)：（1）成分變化：a.從純硅酸鹽系統(tǒng)發(fā)展到硼酸鹽、磷酸鹽、鍺酸鹽、碲酸鹽、鋁酸鹽、砷酸鹽、鉍酸鹽、鉛硅酸鹽等非硅酸鹽氧化物系統(tǒng)；b.從純氧化物玻璃發(fā)展至鹵化物、硫族化物、合金化合物等非氧化物玻璃； c.不同類型玻璃混合而成的混合玻璃； d.純無機(jī)化合物玻璃至有機(jī)-無機(jī)復(fù)合玻璃； f.從單純成分至以元素周期表中大部分元素為成分的玻璃。,,2024/4/1,10,（2）形狀變化： 從傳統(tǒng)的板、塊狀發(fā)展至薄膜、纖維，即從三維

5、發(fā)展到二維、一維。還有納米空心和實心玻璃微球等零維制品。,,3M公司玻璃空心微珠,2024/4/1,11,,（3）玻璃態(tài)變化： 從單一均質(zhì)玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)展到分相玻璃、乳濁玻璃、微晶玻璃、泡沫玻璃、空氣薄膜玻璃。 參與材料復(fù)合：金屬玻璃、夾層玻璃、玻璃鋼、玻纖增強(qiáng)水泥、微晶玻璃等。,2024/4/1,12,（4）功能變化： 從單純的透光、包裝材料發(fā)展成具有光、電、磁和聲等特性材料;玻璃本身也從單純材料發(fā)展為元器件;

6、生物玻璃甚至可以修補(bǔ)替代有機(jī)體。,,2024/4/1,13,（5）制備工藝變化： 高溫熔融法傳統(tǒng)玻璃采用坩堝窯、池窯制備,特種玻璃發(fā)展為電、高頻感應(yīng)、高壓真空、等離子火焰、激光等手段熔煉。還產(chǎn)生了氣相合成、真空蒸發(fā)、濺射、CVD、MOCVD等氣相沉積、雙輥急冷、低溫合成、高能射線輻照合成，溶液-凝膠等制備方法。,,2024/4/1,14,2.2 特種玻璃的主要類型,,,光功能玻璃電功能玻璃磁功能玻機(jī)械功能玻璃,生物

7、功能玻璃化學(xué)功能玻璃熱功能玻璃,2024/4/1,15,3. 光學(xué)玻璃,,,基本特性要求：（1）特定光學(xué)常數(shù)和同批一致性（2）高度透明性（3）高度均勻性（4）一定的化學(xué)穩(wěn)定性（5）一定的耐熱性質(zhì)及機(jī)械性質(zhì),2024/4/1,16,光學(xué)玻璃分類,,,無色光學(xué)玻璃顏色濾光玻璃（濾色玻璃）原子技術(shù)玻璃（耐輻照玻璃及防護(hù)玻璃）紅外光學(xué)玻璃,,2024/4/1,17,3.1 無色光學(xué)玻璃,,,3.1.1基本概況鈉鈣硅酸鹽玻

8、璃 輕冕玻璃（鋇、鋅、硼、磷玻璃） 重冕玻璃 、火石玻璃（鉛、銅、鉍、鑭）

9、 冕牌玻璃(K)一般作凸透鏡，火石玻璃(F)作凹透鏡。依據(jù)折射率劃分符號：ZK,QK,TK,BaK,ZBaF…..,,,2024/4/1,18,3.1.2 幾種常用的無色光學(xué)玻璃,,2024/4/1,19,3.1.3 基本要求,,,（1）具有特定光學(xué)常數(shù)，一致性好；（2）高度透明性，高度物化均勻性；（3）一定化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性和機(jī)械強(qiáng)度；（4）原料要求高，特別控

10、制含鐵量Fe2O3≤0.005％；（5）采用單坩堝間歇法和小池爐連續(xù)法，精煉用白金坩堝；（6）采用精密退火，退火速率最低0.2-1℃／h。,2024/4/1,20,,,,,,,,,,2024/4/1,21,3.1.4 評價指標(biāo),光吸收系數(shù)α：用白光通過玻璃中每cm路程內(nèi)的透過率T的自然對數(shù)負(fù)值表示 。 條紋度：條紋狀包裹物。 折射率： n＝c／d ，c、d分別表示光在真空和玻璃中傳播速度。 n=Σniγ

11、i ni 為組分i 折射率、γi為組分摩爾數(shù)色散：折射率隨波長改變的特性。光學(xué)均勻性和應(yīng)力雙折射 ：成分不均勻性或應(yīng)力差異引起局部折射率不一樣，材質(zhì)表征稱為應(yīng)力雙折射， 換算成單位間距光程差δ(nm/cm)。,,,2024/4/1,22,3.2 顏色濾光玻璃（濾色玻璃）,,,3.2.1 定義及用途 對光譜具有選擇吸收（或能透射）各種顏色的光學(xué)玻璃稱為顏色濾光玻璃。由于吸收某波長，

12、透過光則呈現(xiàn)所吸收波長的補(bǔ)色，又稱為顏色玻璃或有色玻璃。 用于光學(xué)儀器中作為濾色元件，形成單色光用于某些儀器，濾去其它光波對儀器的干擾。,2024/4/1,23,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2024/4/1,24,3.2.2 分類,,,（1）按光譜性能分：截止型顏色濾光玻璃選擇吸收性濾光玻璃中性暗型濾光玻璃（在400一700 nm光譜范圍內(nèi)有較均勻吸收的濾光玻璃）,2024/4/1

13、,25,（2）按著色劑分：,,,,離子著色（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co 、Ni、Ce、Pr、Nd等。）膠體著色（ Cu、Ag、Au、Pt；非金屬元素S、Se、Te；化合物CdS、FeS、Sb2S2等。 ）半導(dǎo)體著色（CdS和CdSe混合著色）,,,2024/4/1,26,,,3.3 原子技術(shù)玻璃,玻璃的輻照著色 定義： 普通光學(xué)玻璃經(jīng)過相當(dāng)劑量的輻射作用后，都明顯變暗，而較高劑量的高能輻射還能

14、夠使玻璃變成完全不透明 。,2024/4/1,27,,,機(jī)理：物質(zhì)吸收輻射能量后，產(chǎn)生電離，釋出的電子與結(jié)構(gòu)中的正空位復(fù)合，形成了F型色心(正電荷又可被負(fù)空位捕獲，形成V型色心)。因為被色心束縛的電子或空位都具有一定的能帶結(jié)構(gòu)，其能級間距相當(dāng)于可見光的光量子能，因此它們在可見光照射下會呈現(xiàn)出顏色。由于玻璃中存在著各種各樣的缺陷，因此經(jīng)輻照后，就會形成各類色心。,2024/4/1,28,3.3.1 耐輻射光學(xué)玻璃,,,（1）定義：

15、 是特殊的無色光學(xué)玻璃，耐較高劑量的γ射線和χ射線，不會在可見光波段產(chǎn)生色心。 能夠改善玻璃輻照穩(wěn)定性的離子有： Ce4+、cr3+、Mn4+、As5+、Sb5+、Fe3+以及其它的多價離子，這些離子通常稱為抑制劑(或穩(wěn)定劑)。,2024/4/1,29,,,含有Ce02的耐輻射光學(xué)玻璃在受到高能輻射作用后： Ce4+十e→Ce3+ Ce

16、4+和Ce3+的光譜吸收帶均在紫外波段，即鈰離子的任何價態(tài)的氧化物在可見光區(qū)域都沒有吸收峰，因而不致影響玻璃的著色。,（2）耐輻照機(jī)理（以CeO2為例）：,2024/4/1,30,3.3.2 防護(hù)玻璃,,,（1）定義： 具有能夠防止X射線、β射線、γ射線對人體產(chǎn)生危害的特殊玻璃材料。 （2）種類： PbO-CdO-SiO2：吸收γ射線、快、慢中子； PbO-Bi2O4- SiO

17、2：較高吸收X射線、γ射線的能力； 84PbO2·2Ta2O5·14B2O3：吸收γ射線能力最大； BaO-PbO-B2O3：吸收γ射線、中子；等等。,2024/4/1,31,,,,當(dāng)射線穿過防護(hù)玻璃時內(nèi)部產(chǎn)生光電效應(yīng)，生成正負(fù)電子對，同時產(chǎn)生激發(fā)態(tài)和自由態(tài)電子，使射入的γ射線等的能量降低不能透過，起到防護(hù)作用。,2024/4/1,32,,,2024/4/1,33,,,,,,,,,,,,,

18、,,,,,,,,,,,,,,2024/4/1,34,3.4 紅外光學(xué)玻璃,,,3.4.1 紅外光學(xué)材料 能透過紅外光線的光學(xué)材料稱為紅外光學(xué)材料，主要分為晶體類、玻璃類及熱壓多晶材料三大類。,,,,,,,,能夠制造紅外探測、追蹤及導(dǎo)航儀器。紅外線技術(shù)的主要軍事應(yīng)用有紅外夜視儀、紅外偵察、攝影、跟蹤和導(dǎo)彈制導(dǎo)等等 。如：高空紅外攝影，反潛飛機(jī)等。,2024/4/1,35,3.4.2 玻璃類紅外材料的特點(diǎn),,,

19、紅外玻璃材料容易獲得較高的光學(xué)均勻性，可用來制造光學(xué)要求高的大尺寸光學(xué)元件；玻璃類材料不會解理，因此，具有較高的機(jī)械、沖擊強(qiáng)度和較大的表面硬度；大多數(shù)玻璃對大氣作用穩(wěn)定。,2024/4/1,36,3.4.3 紅外光學(xué)玻璃,,（1）組成的設(shè)計 A. 化學(xué)鍵強(qiáng)度越小，離子間吸引力越小，紅外透過波長越遠(yuǎn)。 玻璃生成體氧化物的化學(xué)鍵強(qiáng)度： B—O＞P—O＞Si—O＞Ge—O＞Al—O＞As—O

20、B.玻璃的網(wǎng)絡(luò)外體氧化物可采用原子序數(shù)大的重金屬氧化物(如Bao、Pb0、Bi2O3等)作為紅外玻璃的組成; C.為了提高陰離子的質(zhì)量，發(fā)展了非氧化物紅外玻璃。,2024/4/1,37,,,,,,,,,,,,,,2024/4/1,38,（2）幾種常見紅外光學(xué)玻璃,,,a. 光學(xué)石英玻璃b. 鋁酸鈣玻璃c. 鋇鈦硅酸鹽玻璃d. 高硅氧玻璃e. 碲酸鹽玻璃f. 硫?qū)倩锊ＡВǚ茄趸铮?2024/4/1,39,3.4.

21、4 石英光學(xué)玻璃,,,,2024/4/1,40,,,,,,,,,4. 其 他 光 功 能 玻 璃,2024/4/1,41,,4.1 激光玻璃,2024/4/1,42,普通燈光與激光的比較,,2024/4/1,43,,原理,碳原子示意圖,2024/4/1,44,,,原子內(nèi)電子的躍遷過程,2024/4/1,45,,紅寶石激光的示意圖,2024/4/1,46,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài),,2024/4/1,47,低能量激光：以氣體為激光介質(zhì)，例如超市中

22、常用的條形碼掃描儀，就是用氦氣和氖氣作為激光介 質(zhì)的；中能量激光：例如在課堂上用的激光指示器；高能量激光：一般用半導(dǎo)體作為激光介質(zhì)，輸出的功率可高達(dá) 500 mW。用于熱核聚變實驗的激光可發(fā)射出時間極短但能量極高的激光脈沖，其脈沖功率竟可達(dá)1014 W！可產(chǎn)生達(dá)一億度的高溫，引發(fā)微粒狀的氘-氚燃料進(jìn)行熱核聚變。,,激光器分類,2024/4/1,48,,4.1.1 激光玻璃特點(diǎn)(與激光晶體相比較),基質(zhì)玻璃易于改變，成分可以在很大范圍

23、內(nèi)變化，以獲得不同性質(zhì)的激光玻璃；玻璃中的結(jié)構(gòu)缺陷對性質(zhì)影響小，易獲得各向同性、均勻的工作物質(zhì)；易于制備，容易得到各種尺寸和形狀；制造周期短，成本低，制備簡單；光學(xué)質(zhì)量容易得到保證。,2024/4/1,49,,（1）激活離子發(fā)光機(jī)構(gòu)必須有亞穩(wěn)態(tài)，形成三級或四級能級機(jī)構(gòu)；且亞穩(wěn)態(tài)壽命長，使粒子數(shù)易于積累達(dá)到反轉(zhuǎn)；（2）有合適的光譜性質(zhì)；（3）基質(zhì)玻璃要有良好的透明度，對激光波長的吸收盡可能小，使光激發(fā)能量充分被激活離子吸收轉(zhuǎn)化

24、為激光；（4）有良好的光均勻性，避免光線通過玻璃后波面變形產(chǎn)生誤差，使閾值升高，效率降低；（5）有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，良好的光照穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強(qiáng)度，失透性小。,,4.1.2 激光玻璃需滿足的條件,2024/4/1,50,,（1）激光玻璃由基質(zhì)玻璃摻入激活離子形成： 激光玻璃的各種物理化學(xué)性質(zhì)主要由基質(zhì)玻璃決定；激光玻璃的光譜性主要由激活離子決定；同時，基質(zhì)玻璃通過配位體與激活離子的作用影響激活離子的吸收光譜。（

25、2）激光玻璃的基質(zhì)玻璃組成一般有硅酸鹽、氟磷酸鹽、磷酸鹽玻璃等；激光玻璃的激活離子主要有稀土離子Nd3+、Yb3+、Er3+、 Tm3+ 、Ho3+等。,,4.1.3 激光玻璃的組成,2024/4/1,51,,分光光度計光源——單色性；激光定向與激光測距——高度定向與相干性；激光核聚變、激光打孔、激光點(diǎn)焊、激光刀等——能量密度極高；激光通訊——配合光導(dǎo)纖維傳輸，等等。,,4.1.4 激光玻璃的應(yīng)用舉例,2024/4/1,52,,,

26、4.1.5 釹激光玻璃,釹玻璃是激光玻璃中最重要的玻璃、其輻射光譜與氙燈的輻射光譜非常一致，提高了光泵效率。 有實際應(yīng)用價值的基質(zhì)玻璃有硅酸鹽（鋇冕玻璃、鈣冕玻璃及高彈性玻璃）、硼酸鹽及磷酸鹽系統(tǒng)。制造工藝解決三大問題： 制造大尺寸棒狀玻璃；降低非活性吸收，有害雜質(zhì)降到10-6質(zhì)量分?jǐn)?shù)以下；避免結(jié)石等雜質(zhì)，提高光學(xué)均勻性。（因此必須改善坩堝、耐火材料及攪拌槳等材質(zhì)。）,2024/4/1,53,,,

27、4.2 聲光玻璃,4.2.1 聲光效應(yīng) 又稱為彈光效應(yīng)。在介質(zhì)中有聲波（或稱為彈性波）場時，所通過的光波受到聲波場的衍射而使其強(qiáng)度、相位及傳播方向都被聲波場所帶行的信號調(diào)制的現(xiàn)象。,2024/4/1,54,,簡單： 聲波通過介質(zhì)時，會造成介質(zhì)的局部壓縮和伸長產(chǎn)生彈性應(yīng)變。該應(yīng)變隨時間和空間作周期變化，使介質(zhì)出現(xiàn)疏密相間的現(xiàn)象，如同光柵。當(dāng)光通過這一受聲波擾動的介質(zhì)時，會發(fā)生衍射現(xiàn)象，稱為聲光效應(yīng)。 聲光效應(yīng)就

28、是研究光通過聲波擾動的介質(zhì)時發(fā)生散射或衍射的現(xiàn)象。衍射光的強(qiáng)度、頻率、方向等都隨著超聲波場而變化。,2024/4/1,55,,,聲光偏轉(zhuǎn)：其中衍射光偏轉(zhuǎn)角隨超聲波頻率的變化現(xiàn)象；聲光調(diào)制：衍射光強(qiáng)度隨超聲波功率而變化的現(xiàn)象。,2024/4/1,56,聲光器件是利用超聲波在具有聲光功能的透明材料中與激光束的相互作用來達(dá)到使激光束產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或調(diào)制的目的。它具有能隨機(jī)存取、元件結(jié)構(gòu)簡單、小型化、驅(qū)動功率小和成本低等特點(diǎn)。,,4.2.2 聲光

29、器件,2024/4/1,57,,,應(yīng)用舉例,在實際器件中，聲光器件是由壓電換能器激發(fā)，聲光互作用介質(zhì)和壓電換能器相結(jié)合即為聲光器件。 通過改變超聲波的頻率和功率，可分別實現(xiàn)對激光束方向的控制和強(qiáng)度的調(diào)制。由這點(diǎn)我們可以很容易得出，它可以應(yīng)用在聲光調(diào)制器件，聲光偏轉(zhuǎn)器件，聲光調(diào)Q開關(guān)，可調(diào)諧濾光器等。,2024/4/1,58,,4.2.3 聲光玻璃（聲光偏轉(zhuǎn)玻璃）,特點(diǎn)： 由于長程無序的結(jié)構(gòu)，聲光衍

30、射效率較高；但同時產(chǎn)生聲子黏滯效應(yīng)，因此聲損耗高，頻率受限，常引入鋇、鉛、碲、鑭。主要品種： 熔石英玻璃（高光學(xué)質(zhì)量、寬透光率大塊材料） 各種重火石玻璃（高折射率，但透過率、均勻性較差） 硫系玻璃(As2S3 )（紅外聲光玻璃） 單質(zhì)半導(dǎo)體玻璃 (碲酸鹽玻璃),2024/4/1,59,,,性能要求,高聲光衍射效率低光波損耗低聲波損耗熱穩(wěn)定性,2024/4/1,60,,,4.3 磁光玻璃,磁光效應(yīng)：介質(zhì)在磁場作用下（

31、磁場可以是介質(zhì)本身固有磁場，也可以是外加感生磁場）產(chǎn)生光學(xué)各向異性變化的物理效應(yīng)（包括反射率、透射率、偏振等）。包括塞曼效應(yīng)、磁光法拉第效應(yīng)、科頓-穆頓效應(yīng)和磁光克爾效應(yīng)等。這些效應(yīng)均起源于物質(zhì)的磁化，反映了光與物質(zhì)磁性間的聯(lián)系。,2024/4/1,61,,,法拉第效應(yīng)(透明材料中)：一束偏振光通過透明玻璃，當(dāng)沿通光方向施加磁場H，見右圖，透過光波的偏振面就產(chǎn)生磁致偏轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角度和傳播距離長庹和通過方向磁場強(qiáng)度成正比。有非互易性(通常

32、做光隔離器)。,2024/4/1,62,(法拉弟旋轉(zhuǎn)玻璃)光隔離器,,是一種光的單向傳輸器件，可以保障多級光學(xué)器件免受后級反饋光的干擾。 要求：高透過率、大的費(fèi)爾德常數(shù)和穩(wěn)定的工作特性。,2024/4/1,63,,光振動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的角度ψ與磁感應(yīng)強(qiáng)度B和光穿越介質(zhì)的長度l的乘積成正比，即ψ＝VBl，比例系數(shù)V稱為費(fèi)爾德常數(shù) 。 偏轉(zhuǎn)方向取決于介質(zhì)性質(zhì)和磁場方向 ，V 值還與波長和溫度有關(guān) 。,202

33、4/4/1,64,,,磁光克爾效應(yīng)(不透明材料中)：一束偏振光在鐵磁材表面反射后，產(chǎn)生反射的橢園偏振光，且偏振面旋轉(zhuǎn)一個角度。磁光克爾效應(yīng)依其磁化強(qiáng)度矢量與材料表面及入射面的相對關(guān)系，又分極向、縱向、橫向克爾效應(yīng)。,2024/4/1,65,,極性磁光克爾效應(yīng)：磁化向量垂直反射面，但與入射面平行；縱向磁光克爾效應(yīng)：磁化向量和入射面及反射面同時平行；橫向磁光克爾效應(yīng)：磁化向量和入射面垂直，但平行于反射面。

34、極向和縱向克爾磁光效應(yīng)的磁致旋光都正比于磁化強(qiáng)度，一般極向的效應(yīng)最強(qiáng)，縱向次之，橫向則無明顯的磁致旋光。 磁光克爾效應(yīng)一般觀察表面深度為10-20nm的磁疇，因此，最適合用于磁性薄膜磁性的研究。,2024/4/1,66,,,4.4 光致變色玻璃,,4.4.1 定義 受藍(lán)紫、紫外等短波長光或日光照射后，在可見光區(qū)產(chǎn)生光吸收而自動著色，著色深度隨光照強(qiáng)弱而變，光照停止，可逆地自

35、動恢復(fù)到初始透明態(tài)(又稱光色玻璃)。 許多有機(jī)物、無機(jī)物都有此光致變色性能，但光色玻璃可以長時間反復(fù)變色而無疲勞現(xiàn)象（老化），且機(jī)械強(qiáng)度好，化學(xué)穩(wěn)定性好，制備簡單，可獲得穩(wěn)定且形狀復(fù)雜的制品。,2024/4/1,67,,,4.4.2 結(jié)構(gòu),原理：由于含有光輻照所致可逆的亞穩(wěn)態(tài)色心。 一定波長激活輻射，玻璃生成色心即產(chǎn)生著色，激活輻射去除，色心破壞即褪色，激活-破壞(變暗-復(fù)明)往復(fù)循環(huán)而

36、不疲勞?？赡娴膩喎€(wěn)態(tài)色心與基質(zhì)玻璃同相的，稱同相（均相）光致變色玻璃；可逆的亞穩(wěn)態(tài)色心與基質(zhì)玻璃不同相的，稱異相型光致變色玻璃。,2024/4/1,68,,,4.4.3 變色原理,無光照時，含鹵化銀的玻璃種微觀晶體對光的散射極小，玻璃高度透明。 光照下，鹵化銀北從紫到藍(lán)很寬的光照所激發(fā)，產(chǎn)生反應(yīng)析出游離銀原子核鹵素原子。眾多銀原子由于散射而著色。 去除光照后，原子間發(fā)生可逆化學(xué)作用

37、，形成鹵化銀，玻璃恢復(fù)透明。,2024/4/1,69,,,玻璃基礎(chǔ)組成：堿金屬離子半徑增加，吸收帶峰值向長波區(qū)域漂移。鹵化銀種類：鹵素原子序數(shù)增加，光吸收峰向長波區(qū)域移動。敏化劑：氧化亞銅（Cu2+,Cu1+）,4.4.4 影響光色互變性（變暗和復(fù)明）的因素：,2024/4/1,70,,,4.4.5 光致變色玻璃制作工藝,基礎(chǔ)玻璃(變色組成、敏化劑)設(shè)計→配合料→一定氣氛高溫熔煉→毛坯成形→退火→顯色處理(銀粒長大) →按產(chǎn)品

38、要求進(jìn)行精加工控制：末處理的光色玻璃(其中銀顆粒＜5μm)沒有光色效應(yīng)，熱處理后(銀顆粒在10-20 μm)才有光色效應(yīng)。 熱處理溫度在轉(zhuǎn)變點(diǎn)與軟化點(diǎn)間(Tg--Tf)，高于退火溫度20-100℃需幾分鐘，較低溫度處理需1-1.5小時，然后慣性降溫，過高溫度會變形或乳濁。,2024/4/1,71,4.4.6 應(yīng)用,自動調(diào)光玻璃（太陽鏡；汽車、飛機(jī)建筑物等窗玻璃）激光器窗口玻璃航天器窗口玻璃

39、圖像記錄、全息記錄、光信息存儲等黑板-光調(diào)諧筆紫外線計量計……,,2024/4/1,72,,,4.5 電致變色玻璃,4.5.1 定義： 電致變色玻璃(Smart Glass)，在電場作用下引起顏色變化的玻璃，這種變化是可逆的、連續(xù)可調(diào)的。,WO3 + xA+ + xe- = AxWO3 (0<x<1) A為正離子（H，Li），產(chǎn)物為金屬鎢青銅，顏色來自不同晶格位置上的鎢電子躍遷。,

40、2024/4/1,73,,,4.5.2 特點(diǎn)及應(yīng)用,在熱致變色、光致變色以及電致變色三種激勵方式對制冷和照明所需能量來看，電致變色器件節(jié)能效果最佳。特點(diǎn)：響應(yīng)慢，但壽命、記憶效應(yīng)和循環(huán)次數(shù)上存在較大優(yōu)勢?？梢杂糜冢浩嚥ＡА{(diào)節(jié)光強(qiáng)； 建筑窗玻璃——節(jié)能； 軍用飛行器——隱身； 等等。,2024/4/1,7

41、4,,,5. 其它特種功能玻璃,5.1 電磁功能玻璃,2024/4/1,75,,5.2 熱學(xué)、力學(xué)及機(jī)械功能玻璃,2024/4/1,76,,,5.3 生物及化學(xué)功能玻璃,2024/4/1,77,5.4 微晶玻璃,,,,5.4.1 定義 將加有成核劑(個別可不加)的特定組成的基礎(chǔ)玻璃，在一定溫度下熱處理后，就變成具有微晶體和玻璃相均勻分布的復(fù)合材料，稱之為微晶玻璃。 微

42、晶玻璃的結(jié)構(gòu)、性能及生產(chǎn)方法同玻璃和陶瓷都有所不向，其性能集中了兩者的特點(diǎn)，成為一類獨(dú)特的材料。它也稱為玻璃陶瓷（glass-ceramics）或結(jié)晶化玻璃。,2024/4/1,78,5.4.2 分類,按外觀分：透明微晶玻璃、不透明微晶玻璃； 按微晶化原理：光敏微晶玻璃、熱敏微晶玻璃；按性能：耐高溫、耐熱沖擊、高強(qiáng)度、耐磨、易機(jī)械加工、易化學(xué)蝕刻、耐腐蝕、地膨脹，零膨脹、低介電損失、強(qiáng)介電性、強(qiáng)磁性、生物相容性等；按基礎(chǔ)玻璃組成：

43、硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽、磷酸鹽； 按所用材料：技術(shù)微晶玻璃、礦渣微晶玻璃。,,2024/4/1,79,5.4.3 微晶玻璃的特點(diǎn),,,,微晶玻璃間普通玻璃的區(qū)別，主要是它們只有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，而同陶瓷樹料的區(qū)別，主要是它們的結(jié)晶結(jié)構(gòu)更細(xì)。主要特點(diǎn)如下：力學(xué)性質(zhì)：機(jī)械強(qiáng)度高，彈性模量大，堅硬耐磨；熱學(xué)性質(zhì)：膨脹系數(shù)變化范圍大，熱穩(wěn)定性好；化學(xué)穩(wěn)定性好； 光學(xué)性能：具有獨(dú)特的光學(xué)性能（感光顯影） ；電學(xué)性能：介電常數(shù)高，介

44、電損失小等等。,2024/4/1,80,5.4.4 微晶玻璃的應(yīng)用,,,,2024/4/1,81,5.4.5 微晶玻璃的核化、晶化與成核劑,核化、晶化屬非均相核化類型，配合料中的成核劑在熔制過程中均勻溶解于玻璃中，當(dāng)溫度處在析晶溫度區(qū)，成核劑可降低晶核生長所需克服的勢壘，核化可在較低溫度下進(jìn)行。 核化與晶化在整個玻璃體中均勻進(jìn)行，新晶相在成核劑上附析，長成細(xì)小的晶體。成核劑： 金屬成核劑（Au，Ag，Cu，Pt，Ru，Rh，

45、Pd，離子態(tài)，8-10nm膠粒） 氧化物成核劑（TiO2，ZrO2，P2O5，陽離子場強(qiáng)大，易分相結(jié)晶）,,2024/4/1,82,5.4.6 微晶玻璃的生產(chǎn)過程,配合料制備 玻璃熔融 成型 加工 微晶化處理（分相、晶核形成、晶體生長、二次結(jié)晶生長等過程） 再加工,,,,,,微晶化處理過程：階梯溫度制度等溫溫度制度,2024/4/1,83,

46、,,6. 特種玻璃的制備與加工,6.1 溶膠-凝膠法（1）溶膠－凝膠(Sol-Gel)技術(shù)是指金屬有機(jī)或無機(jī)化合物，經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，在溶膠或凝膠狀態(tài)下成型，再經(jīng)熱處理轉(zhuǎn)化為氧化物或其他化合物固體材料的方法；（2）不同的醇鹽體系，其水解、縮聚的情況不同；影響溶膠質(zhì)量的主要因素：加水量、催化劑種類、溶液PH值、水解溫度、醇鹽品種、溶液濃度和溶劑效應(yīng)；,2024/4/1,84,,,成形溫度低，可制得一些傳統(tǒng)方法難以得到或根本

47、得不到的材料。 材料純度高、均勻，是光纖、隱形眼鏡等材料。 納米級多孔材料在熱學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)以及催化等眾多方面有獨(dú)特的性能、還是理想透明的隔熱材料、熱導(dǎo)率為0.013W／(M．k)。,溶膠-凝膠法的優(yōu)點(diǎn),2024/4/1,85,,,以正硅酸乙脂(Si(OC2H5)4)為原料制造二氧化硅玻璃為例 在液態(tài)的正硅酸乙脂攪拌過程中加入水和酸的醇溶液→產(chǎn)生水解(室溫) 、縮聚→縮

48、聚產(chǎn)生顆粒(條件得當(dāng))形成溶膠小顆?！奂扇S網(wǎng)絡(luò)連續(xù)分散相團(tuán)聚→凝膠干燥(去溶劑、水，有很大體積收縮) →干凝膠熱處理(在265-300℃消除氣孔、使相組成和顯微結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品要求)。,塊狀、纖維狀制造過程：,2024/4/1,86,,,目前已制造出SiO2、GeO2－SiO2、TiO2－SiO2(反射膜) 、Na2O－B2O3－SiO2(減反射膜) 、BaTiO3(高介電常數(shù)膜)3M公司的Al2O3－SiO2－B2O3纖維拉絲、

49、加熱析出Al2O3晶體、大大提高彈性模量達(dá)150GPaBall實驗室和Corning公司以無機(jī)二氧化硅凝膠為原料、制得大尺寸透明二氧化硅玻璃用無機(jī)－有機(jī)復(fù)合體做隱形眼鏡片,2024/4/1,87,,,6.2 高速冷卻法（金屬玻璃）,此法主要用于難成玻璃物質(zhì)非晶態(tài)化： 例如將棒狀原料燒結(jié)體尖端部用集束的紅外光加熱幾分鐘熔化成滴，用雙輥機(jī)高速旋轉(zhuǎn)（射流法，單輥法）高速冷卻。主要用于快離子導(dǎo)體玻璃等功能玻璃制備。用途：

50、 有特別的磁性(磁頭記錄、圖書安全條，擦寫光盤膜)； 金屬玻璃不含位錯(它是晶體概念)強(qiáng)度高、作增強(qiáng)纖維；金屬玻璃沒有晶界，會產(chǎn)生優(yōu)異的抗腐蝕性，作刮胡刀片等。,2024/4/1,88,,,金屬因具有簡單晶體結(jié)構(gòu)、且高溫熔體是十分好的流體、可能是最難阻止結(jié)晶的材料。單金屬冷卻速度大約為108K／s數(shù)量級，金屬玻璃形成系統(tǒng)是具有低熔點(diǎn)的多元合金(典型的是80%mol的金屬和20%mol的半金屬，80%Au-20%Si) 、冷卻速度大約為1

51、05K／s數(shù)量級，半金屬的存在是把合金的熔化溫度降低到純金屬的熔點(diǎn)以下，可降低材料要急冷所經(jīng)過的溫度范圍；增加單胞的尺寸，可延長結(jié)晶時間；不同的尺寸置換合金元素進(jìn)入晶體點(diǎn)陣引起晶格歪曲、半金屬會提高晶體的能量，有利促進(jìn)無定形金屬形成。,2024/4/1,89,,,玻璃態(tài)金屬不能加熱在Tg＜T＜Tm范圍很快地結(jié)晶，只能局限于幾百度以下溫度使用。要獲得金屬玻璃最大困難是怎樣散去為避免形成晶體高速冷卻所要放出的熱；鋁、鐵等純金屬至今還未能靠淬

52、火獲得無定形結(jié)構(gòu)。,2024/4/1,90,,2024/4/1,91,,,6.3 玻璃增強(qiáng),特種加工技術(shù)： 采用特殊加工工藝方法來改變玻璃成分獲得特殊性能。如摻雜、離子交換、分相與晶化、表面鍍膜、極化處理、激活結(jié)構(gòu)、離子注入及復(fù)合化。,2024/4/1,92,玻璃轉(zhuǎn)變溫度以下，玻璃中的Na＋(0.95埃)在鉀鹽熔液中受熱振動逸出，離子半徑小的Na＋所占空間被離子半徑大的K＋(1.33埃)占據(jù)，“擠塞”，交換層體積增加

53、，冷卻后產(chǎn)生壓應(yīng)力而達(dá)強(qiáng)化。,,,離子交換增強(qiáng)玻璃的機(jī)理,,,低溫型離子交換,2024/4/1,93,確保玻璃中無氧離子和OH離子；用氬氣、氮?dú)饣虬睔夥湛刂迫蹮?。確保玻璃中所含某些可變價離子某種價態(tài)的需要，使用氧化或還原氣氛進(jìn)行熔煉。,,6.4 氣氛調(diào)節(jié)熔融法（與傳統(tǒng)方法熔煉對照）,2024/4/1,94,6.5 氣相沉積法,該方法以氣體為原料，或者將固體原料氣化，在加熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制備玻璃或非晶相物質(zhì)。用途：光纖預(yù)制棒的制造