功能玻璃材料.ppt

1 第二章功能玻璃FunctionalGlass 2 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 有专门用途 或者制造工艺有明显差别的一些新品种 玻璃 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 4 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 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 5 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 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 6 按照玻璃的功能可划分为 微晶玻璃 光导纤维玻璃 激光玻璃 光色玻璃 半导体玻璃 非线性光学玻璃 磁功能玻璃 生物玻璃 机械功能玻璃以及功能玻璃薄膜等 7 第一节微晶玻璃CrystoeandNeoparies 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 又称玻璃陶瓷 它既有玻璃的基本性能 也有陶瓷多晶体的特征 集中了玻璃 陶瓷及天然石材的三重优点 优于天石材和陶瓷 8 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 9 微晶玻璃按照用途分为 餐具微晶玻璃 航天微晶玻璃 建筑微晶玻璃和生物微晶玻璃等 微晶玻璃按基础玻璃组成一般可分为硅酸盐系统 铝硅酸盐系统 硼硅酸盐系统 硼酸盐系统及磷酸盐系统等五大类 微晶玻璃的分类 10 微晶玻璃的应用由于微晶玻璃具有许多优良的性能 如密度小 质地致密 没有气孔 不透水 不透气 软化温度高 化学稳定性及热稳定性好 机械强度及硬度高 电学性能优良等 因此在许多领域得到广泛的应用 11 1 微晶玻璃装饰板材 1 耐候性好 抗污染 而微晶玻璃板材则具有永不吸水特点 其豪华外观不易受雨雪 风沙气候等污染及侵蚀 能全天候永保建筑物亮丽 壮观的色彩和光泽 12 2 亮丽多彩的色调优于天然石材微晶玻璃装饰板材可以通过工艺控制手段 生产出各种颜色色调及图案 它经过精良的磨抛工艺处理后 还可以产生不同质感的效果 3 优良的机械 化学稳定性可确保安全性 4 易于加工成各种规格 又有良好环保性能 13 2 微晶玻璃墙体材料微晶玻璃制品形状和尺寸精度较高 且能生产大规模的制品 用作建筑砌块 建筑隔墙 可以满足轻质高强的要求 同时还具有隔断灵活 施工操作方便等优点 3 微晶玻璃屋面与地面材料将微晶玻璃板用作建筑物的地板覆盖材料 可以减少其底下防水层的数量 减少填缝材料的消耗 在某些情况下 甚至可以不用防水层 14 4 其他材料微晶玻璃可以用来代替普通陶瓷 耐酸陶瓷 铸石 石棉水泥制品和一些建筑塑料 且经济效果更好 CookingPotstand1200oC glass ceramicstove 15 第二节光导纤维玻璃 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 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 16 现在 由玻璃光纤制成的海底光缆已把世界各大洲的通信紧密连在一起 这对人类社会的发展将起着不可估量的作用 海底光缆结构 亚欧海底光缆 海底线缆经常会结上厚厚的海底衍生物 17 玻璃光缆除在通信领域中使用之外 在非通信领域中应用的发展速度也很快 其中包括光和图像传输 功率传输 传感器 汽车工业以及军事工业等 18 光导纤维 简称光纤 可把光从一端独立地传递到它的另一端 因而将多根光导纤维规则地排列成长束状元件 就能用于光或像的弯曲传递 19 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 20 光导纤维的新应用 非通信光纤的应用领域相当广泛 归纳起来 其功能性应用在以下三方面 即传光 传像和传感等 21 1 光纤照明光纤照明是由光源 光纤和光输出元件三要素构成的组合系统 其基本特征是光源可以放置在远离被照明区域的其他地方 因此 特别适用于物体内部和易燃 易爆等危险环境照明及游泳池 喷泉等潮湿场合的照明 22 光纤照明也常被用于工业领域的特殊照明 23 光纤装饰色彩鲜艳 视角开阔 线性纤维柔软 亮丽 被广泛用于商品展示 广告标志 娱乐场所 建筑物等方而的装饰 2 光纤装饰 也可用来制作各种光纤工艺品 如壁画 光纤花篮 插花 工艺灯等 24 3 医用光纤 光纤的弯曲灵活性和传输高亮度冷光的优点 使得它在冷光乳腺检查仪 牙固化机 外科 妇科 五官科等手术器械上得到了充分应用 25 2 传像柔性传像束主要用于制造各种医疗内窥镜 工业内窥镜及内窥监控仪器 柔性传像束的可绕性强 自由度大 比较容易实现一米以上较长光路的结构需要 与传统光学透镜光路比较 其结构简单 质量轻 不需要复杂的机械结构 因此被广泛用于航空 航天 汽车制造 工农业机械 石油化工 电子 建筑 钢铁 军事等领域 26 3 传感光纤传感技术是一个新应用领域 由于光纤传感技术是用光纤而不用金属导线来传递敏感信息 因此它同时具有光学测量和光纤传输的一些优点 27 目前研制较多的光纤传感器有光纤温度传感器 应力应变光纤传感器 光纤陀螺 光纤加速度计 光纤水听器 光纤机械操纵系统 遥测遥感光纤网 光纤激光告警传感器 光纤延迟线等 光纤陀螺 声音监控器 激光告警系统 28 第三节激光玻璃 激光是由激光器发出的具有高亮度 单色性和相干性很好的光束 激光是通过光 电或化学激发 使工作物质中的激活中心处于高能态 达到粒子数反转 出现受激发射形成特定波长光的放大而产生的 29 在1960年第一台激光器问世后 第二年就出现了激光玻璃 随着激光技术的飞速发展 激光玻璃也越来越受到人们的重视 30 激光玻璃的基质材料是玻璃 由于玻璃的化学组成可以在很宽的范围内改变 可以制备出各种性质不同的激光玻璃 玻璃具有优良的光学均匀性 高透明度等特点 以及相比于晶体来说 玻璃容易制备 可任意成形为大口径激光棒或激光圆盘另外 玻璃中掺入的激活离子的种类和数量限制较小 因此国内外均给予激光玻璃高度重视 31 作为激光的基础玻璃 大多采用光学玻璃 例如钡冕 硬冕和磷冕等牌号 通常Nd2O3的适宜含量为3 5 Nd3 在大部分玻璃系统中部获得了受激发射 但能满足各项要求有实用意义的只有硅酸盐 硼酸盐及磷酸盐系统 32 五 激光玻璃的应用利用激光玻璃优良的单色性 可作为分光光度计的光源 利用激光玻璃高度的定向性和相干性 能将它发射到非常遥远的空间 广泛用于激光定向和激光测距 33 由于激光束可以聚焦成极小的 一点 能量密度极高 可用来进行激光核聚变反应和激光打孔 激光点焊等精密加工以及外科手术 34 另外 配合光导纤维传输的激光通讯正日益受到世界各国的重视 激光玻璃由于容易获得均质大块材料 而且便于成型加工 大有发展前途 35 第四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 36 当受紫外线或日光照射时 由于玻璃在可见光区产生光吸收而自动变色 当光照停止时 玻璃能可逆地自动恢复到初始的透明状态 具有这种性质的玻璃称为光致变色玻璃 也称光色玻璃 37 许多有机物 无机物有光致变色性能 但是光色玻璃优于其他光色材料 例如 光色玻璃可以长时间反复变色而无疲劳 老化 现象 而且机械强度好 化学稳定性好 制备简单 可获得稳定的 形状复杂的制品 38 光色玻璃大致可以分为三类 掺Ce3 或Eu3 的高纯度碱硅酸盐玻璃 含卤化银或卤化铊的玻璃 由于玻璃结构的缺陷而变成色心的还原硅酸盐玻璃 目前 研究较多的主要有两种 一种是采用含卤化银的碱铝硼酸盐玻璃 另一种采用含卤化银的硼酸盐玻璃及磷酸盐玻璃等 39 四 光色玻璃的应用光色玻璃因为具有变暗复明的光色性 在科学技术和人民生活中有着广泛的用途 光色玻璃除已广泛用作制造 太阳眼镜 外 在其他各个领域中也不断地进行开发 40 作为图像记录 全息照相材料的应用 光色玻璃是合适的材料 作为情报贮存 光记忆在显示装置的元件中的应用 光色玻璃的光色性是十分有价值的 41 在热带地区 光色玻璃作为汽车保护玻璃及建筑物的自动调光窗玻璃 光色玻璃制成光学纤维面板也可以用于计算技术和显示技术 42 第五节半导体玻璃 半导体玻璃的制造方法与普通玻璃相似 只是在制造普通玻璃的原料中按一定比例加入一些其他元素化合物 把原料加热熔化后再冷却 即可制得各种不同用途的半导体玻璃 半导体玻璃实际上应称为玻璃半导体 它的应用是基于一些玻璃的半导体特性 43 半导体玻璃具有开关 存储 整流 光敏热敏 二次电子发射等多种功能 可以制作电子线路温度补偿用敏感元件 红外检测器 测定高压用敏感元件 摄像管靶子 三极管 声光偏转器 光敏元件等 44 玻璃半导体的应用玻璃半导体除有开关和记忆效应外 还有光导 光敏 热敏 整流 二次电子发射以及透红外等性能 并有相应的用途如下表所示 半导体玻璃布大型电解槽内防晕材料 热敏玻璃 红外玻璃 45 玻璃半导体的应用 46 玻璃半导体除了具有上述的应用外 硫系玻璃薄膜还具有一定的特殊用途 即 它在一定能量的激光照射下 结构通常会发生变化 如果控制激光照射的能量 就可获得结构的可逆转变 47 利用玻璃薄膜在两种结构状态下对光的透射 反射和衍射性能上的敏锐变化 可制成光存贮材料 由于激光点的尺寸很小 因此能得到高密度 大容量的光存贮器和激光全息记录介质 48 第六节生物玻璃生物玻璃是指能够满足或达到特定生物 生理功能的特种玻璃 把易降解的玻璃材料植入生物体内 使其作为骨骸和牙齿代替物 从而开创了一个崭新的生物材料研究领域 生物玻璃和生物微晶玻璃材料 49 生物玻璃的研究已有40年的历史 现已成为材料学 生物化学以及分子生物学的交叉学科 由于生物玻璃具有人体软 硬生命组织有机联结的特点 在骨科 牙科 中耳等方面 可对人体的伤害部位进行维护治疗 其前景可观 50 生物玻璃主要是由Si Na Ca以及P的氧化物组成 目前 具有生物活性的玻璃已有一系列组成 并且人们对这些系列玻璃已积累了大量的模拟人体溶液实验数据 51 1 具有磁记录特性及光磁特性的功能玻璃 DVD RAM 四 其他新型玻璃的应用 无源磁光玻璃型电子式电流互感器 52 2 载体用功能玻璃玻璃的分相现象发现得比较早 但其性质和应用开发的研究开展得比较晚 多孔玻璃就是利用玻璃的分相原理制得的 将Na2O B2O3 SiO2系统玻璃在420 650 间的某一温度下分相一定的时间 分相温度和时间长短根据玻璃的原始组成而定 玻璃体分成耐酸碱腐蚀 H 除外 的富硅相和易溶于热水或酸 碱溶液的富含氧化钠和氧化硼的易溶相 两相之间互相交错 53 分相玻璃在酸 碱溶液或热水中 富含氧化钠和氧化硼的一相被浸析而溶解 玻璃体变成多孔的高硅氧骨架 分相玻璃具有非常高的比表面 孔的直径可以通过改变玻璃各组分的含量得到控制 可在海水脱盐 固定化酶 病毒过滤 色谱分析等方面运用 是一种十分优良的载体材料 54 分相玻璃具有非常高的比表面 孔的直径可以通过改变玻璃各组分的含量得到控制 它具有耐酸碱 抗高温 抗细菌感染等特点 可在海水脱盐 固定化酶 病毒过滤 色谱分析等方面运用 是一种十分