无机非金属材料实验

1、无机非金属材料实验无机非金属材料实验玻璃制备与加工方法玻璃制备与加工方法赵赵 修修 建建提提 纲纲 引言引言 玻璃的一般制备方法熔融冷却法玻璃的一般制备方法熔融冷却法 特种制备方法特种制备方法 高速冷却法高速冷却法 气相合成法气相合成法 溶胶凝胶法溶胶凝胶法 气氛保护法气氛保护法 特种加工处理方法特种加工处理方法 结语结语一、引言一、引言玻璃的定义：玻璃的定义：一般定义：经熔融冷却基本上不结晶的无机一般定义：经熔融冷却基本上不结晶的无机固体物质固体物质 科学定义：具有玻璃转变现象的非晶态物质科学定义：具有玻璃转变现象的非晶态物质原子排列具有无规则的网络结构，在原子排列具有无规则的网络结构，在x

2、射线衍射射线衍射中表现为非晶态中表现为非晶态 介稳状态介稳状态具有玻璃转变现象具有玻璃转变现象 无固定熔点无固定熔点 玻璃与非晶态材料的种类玻璃与非晶态材料的种类种类种类材料（例）材料（例）化学组成（例）化学组成（例）A. A. 无机玻璃（氧化物、无机玻璃（氧化物、氟化物）氟化物）B B凝胶凝胶C. C. 非晶态半导体非晶态半导体 a. a. 硫系玻璃硫系玻璃 b. b. 非晶态元素半导体非晶态元素半导体D. D. 无定形碳无定形碳E. E. 金属玻璃金属玻璃F. F. 高分子玻璃高分子玻璃石英玻璃，平板玻璃，光学石英玻璃，平板玻璃，光学玻璃，氟化物玻璃等玻璃，氟化物玻璃等硅胶，硅矾土（吸附剂

3、，催硅胶，硅矾土（吸附剂，催化剂载体）化剂载体）静电复印用的静电复印用的SeSe膜，电视摄膜，电视摄象机用的光电导膜等象机用的光电导膜等太阳能电池用无定形半导体太阳能电池用无定形半导体玻璃碳、碳黑、碳膜等玻璃碳、碳黑、碳膜等软磁合金，高强度无定形合软磁合金，高强度无定形合金金有机玻璃，树脂有机玻璃，树脂SiOSiO2 2, 16Na, 16Na2 2O.12CaO.72SiOO.12CaO.72SiO2 2, , NaF-BeFNaF-BeF2, 2, 53La53La2 2O O3 3. .37B37B2 2OO3 3. .5ZrO5ZrO2 2. .5Ta5Ta2 2OO5 5, , Si

4、OSiO2 2, SiO, SiO2 2-Al-Al2 2OO3 3等等Se, AsSe, As4040SeSe3030TeTe3030等等SiSi, Ge, Ge等等C C等等FeFe8080P P1313C C7 7等等PMMAPMMA等等 玻璃与特种玻璃：玻璃与特种玻璃： 普通玻璃：平板玻璃、夹层玻璃、热反射玻璃、热吸收玻普通玻璃：平板玻璃、夹层玻璃、热反射玻璃、热吸收玻璃、建材微晶玻璃、中空玻璃、汽车玻璃、钢化玻璃、眼璃、建材微晶玻璃、中空玻璃、汽车玻璃、钢化玻璃、眼镜玻璃、瓶罐玻璃、热水瓶玻璃、餐具玻璃、微晶玻璃餐镜玻璃、瓶罐玻璃、热水瓶玻璃、餐具玻璃、微晶玻璃餐具、耐热玻璃餐具、光

5、学玻璃、玻璃纤维、增强用玻璃纤具、耐热玻璃餐具、光学玻璃、玻璃纤维、增强用玻璃纤维、电子玻璃（电真空玻璃）、显象管玻璃、封接玻璃、维、电子玻璃（电真空玻璃）、显象管玻璃、封接玻璃、光掩模玻璃、理化玻璃、医用玻璃、温度计玻璃、颜色玻光掩模玻璃、理化玻璃、医用玻璃、温度计玻璃、颜色玻璃、发泡玻璃、装饰玻璃和工艺玻璃等。璃、发泡玻璃、装饰玻璃和工艺玻璃等。 特种玻璃：通讯用玻璃光纤、激光玻璃、激光核聚变玻璃、特种玻璃：通讯用玻璃光纤、激光玻璃、激光核聚变玻璃、电子器件用玻璃、法拉第旋转玻璃、石英玻璃、放射性核电子器件用玻璃、法拉第旋转玻璃、石英玻璃、放射性核废料固化玻璃、云母微晶玻璃、多孔玻璃、生物

6、玻璃、生废料固化玻璃、云母微晶玻璃、多孔玻璃、生物玻璃、生化玻璃、氧氮玻璃、凝胶玻璃、水合玻璃、偏振玻璃、镀化玻璃、氧氮玻璃、凝胶玻璃、水合玻璃、偏振玻璃、镀膜玻璃、天然玻璃（黑曜石）等。膜玻璃、天然玻璃（黑曜石）等。 玻璃的发现玻璃的发现 二、玻璃的一般制备方法二、玻璃的一般制备方法 熔化冷却法熔化冷却法 “熔化熔化”也称也称 “ “熔炼熔炼”，是钢、铁、铝等金属，是钢、铁、铝等金属材料；玻璃、铸石、熔铸耐火材料、人工晶体等材料；玻璃、铸石、熔铸耐火材料、人工晶体等无机非金属材料材料的主要工艺过程。无机非金属材料材料的主要工艺过程。 在实验室条件下，玻璃熔化实验的过程（玻璃的在实验室条件下，

7、玻璃熔化实验的过程（玻璃的主要制备工艺）是：主要制备工艺）是：玻璃熔制的五个阶段玻璃熔制的五个阶段 硅酸盐形成：主要的固相反应结束，配合料变成由硅酸硅酸盐形成：主要的固相反应结束，配合料变成由硅酸盐和二氧化硅组成的不透明烧结物。盐和二氧化硅组成的不透明烧结物。800800900900。 玻璃的形成：硅酸盐烧结物和二氧化硅熔融、溶解、扩玻璃的形成：硅酸盐烧结物和二氧化硅熔融、溶解、扩散，使不透明的半熔融烧结物变为透明的玻璃液，不再含散，使不透明的半熔融烧结物变为透明的玻璃液，不再含有未反应的配合料颗粒。有未反应的配合料颗粒。1200 1200 14001400。 澄清：排除可见气泡。澄清：排除可

8、见气泡。 1200 1200 14001400。玻璃液粘度。玻璃液粘度 10 Pa S 10 Pa S 。 玻璃液的均化：消除条纹和其他不均体，使玻璃各部分玻璃液的均化：消除条纹和其他不均体，使玻璃各部分在化学组成上达到预期的均匀一致。在化学组成上达到预期的均匀一致。 玻璃液的冷却：让玻璃液的粘度增高至成形所需的范围。玻璃液的冷却：让玻璃液的粘度增高至成形所需的范围。通常温度降低通常温度降低200 200 300300。室温800900oC12001400oC12001400oC300500oC重油燃烧气氛保护锡槽熔窑熔融玻璃熔融锡牵引辊玻璃带浮法玻璃的制造过程示意图浮法玻璃的制造过程示意图三

9、、特种制备方法三、特种制备方法1 1、高速冷却法、高速冷却法难以形成玻璃的物质的玻璃化难以形成玻璃的物质的玻璃化 与传统的玻璃制造方法一样，该方法首先必须与传统的玻璃制造方法一样，该方法首先必须将固体原料熔化，再将熔体高速冷却，防止析晶，使将固体原料熔化，再将熔体高速冷却，防止析晶，使玻璃形成范围扩大，获得一些传统方法难以获得的具玻璃形成范围扩大，获得一些传统方法难以获得的具有特殊性能的新组成玻璃。有特殊性能的新组成玻璃。利用红外线加热的高速冷却装置利用红外线加热的高速冷却装置82AgI13.5Ag2O4.5B2O3熔体高速冷熔体高速冷却产物的扫描电镜照片却产物的扫描电镜照片 2 2、气相法、

10、气相法 以气体作原料，或将固体原料气化成以气体作原料，或将固体原料气化成气体，再加热（或其它外场）发生化学反气体，再加热（或其它外场）发生化学反应而制备玻璃或非晶态物质的方法。主要应而制备玻璃或非晶态物质的方法。主要有化学气相沉积法和物理气相沉积法有化学气相沉积法和物理气相沉积法 过饱和度对生成产物结晶状态的影响过饱和度对生成产物结晶状态的影响化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVDCVD）的原理）的原理MCVDVADOVD光纤用石英玻璃的制备方法光纤用石英玻璃的制备方法（真空）蒸发沉积法（真空）蒸发沉积法离子镀离子镀溅射法溅射法物理气相沉积法（物理气相沉积法（PVDPVD）用于工业生产镀膜玻璃

11、的磁控溅射方法的原理用于工业生产镀膜玻璃的磁控溅射方法的原理 3 3、溶胶凝胶法、溶胶凝胶法 该方法是由溶液出发，经过化学处理，使溶液该方法是由溶液出发，经过化学处理，使溶液中析出微细的颗粒，即所谓溶胶化；再将其浓缩，中析出微细的颗粒，即所谓溶胶化；再将其浓缩，或经过调节或经过调节pHpH值使溶胶缩聚形成凝胶；最后加热凝值使溶胶缩聚形成凝胶；最后加热凝胶，使凝胶中的有机物和水分挥发，烧结后获得玻胶，使凝胶中的有机物和水分挥发，烧结后获得玻璃。该方法被广泛用于特种玻璃、功能涂层或薄膜璃。该方法被广泛用于特种玻璃、功能涂层或薄膜等的制备。等的制备。 溶胶纺丝的石英玻璃纤维溶胶纺丝的石英玻璃纤维va

12、lve heaterSubstrategas flow with high pressure Sol flow各种溶胶凝胶镀膜方法各种溶胶凝胶镀膜方法浸渍提拉法浸渍提拉法旋涂法旋涂法喷涂法喷涂法泻流涂覆法泻流涂覆法层流涂覆法层流涂覆法应用于应用于TiOTiO2 2薄膜自洁净玻璃生产的溶胶凝胶镀膜生产线薄膜自洁净玻璃生产的溶胶凝胶镀膜生产线 4 4、气氛调节熔融法、气氛调节熔融法 在卤化物玻璃的制备中，为了保证卤化物玻在卤化物玻璃的制备中，为了保证卤化物玻璃所特有的光学或其它性能，要制备无氧离子和璃所特有的光学或其它性能，要制备无氧离子和OHOH根离子的玻璃，必须在氩气、氮气或氨气等气根离子的玻

13、璃，必须在氩气、氮气或氨气等气氛中熔制玻璃。氛中熔制玻璃。 在硫系物玻璃的制造中，通常采用将原料放在硫系物玻璃的制造中，通常采用将原料放在石英玻璃管内、真空封管后、再加热熔融制备在石英玻璃管内、真空封管后、再加热熔融制备成玻璃的方法，也可采用从原料处理到熔融精炼成玻璃的方法，也可采用从原料处理到熔融精炼全部在氮气气氛中进行的所谓连续熔制法。全部在氮气气氛中进行的所谓连续熔制法。硫系（硫卤）玻璃的制备方法硫系（硫卤）玻璃的制备方法四、通过加工处理制备新的玻璃四、通过加工处理制备新的玻璃 通过对玻璃进行掺杂、离子交换、分相通过对玻璃进行掺杂、离子交换、分相与晶化、表面镀膜、极化处理、结构调控、与晶

14、化、表面镀膜、极化处理、结构调控、机械拉伸、离子注入以及复合化等。机械拉伸、离子注入以及复合化等。离子交换法离子交换法电场熔盐离子交换电场熔盐离子交换 电场熔盐离子交换工艺原理图电场熔盐离子交换工艺原理图 电场熔盐离子交换装置示意图电场熔盐离子交换装置示意图 (a) 折射率分布计算值 (b) 实测模式强度分布离子交换制备的光波导折射率分布离子交换制备的光波导折射率分布离子交换法制备光波导分路器离子交换法制备光波导分路器利用紫外光照射制作光纤布拉格光栅利用紫外光照射制作光纤布拉格光栅紫外线位相掩模光纤通过位相掩模，照射紫外光，在光纤中形成折射率的高通过位相掩模，照射紫外光，在光纤中形成折射率的高

15、与低的周期变化的布拉格光栅与低的周期变化的布拉格光栅逸出光纤包层中传输入射光透过光反射光光纤布拉格光栅中光的传输光纤布拉格光栅中光的传输利用机械强制拉伸法制备偏光玻璃利用机械强制拉伸法制备偏光玻璃偏光玻璃的消光比偏光玻璃的消光比利用利用CVDCVD法在法在SiSi片表面制备石英玻璃光波导片表面制备石英玻璃光波导利用飞秒脉冲激光聚焦后与玻璃的作用制备新玻璃利用飞秒脉冲激光聚焦后与玻璃的作用制备新玻璃含Ag的玻璃局部晶化点飞秒脉冲激光飞秒脉冲激光的照射使玻璃局部发生晶化飞秒脉冲激光的照射使玻璃局部发生晶化采用飞秒脉冲激光制备三维光波导采用飞秒脉冲激光制备三维光波导飞秒脉冲激光移动聚焦点玻璃聚焦点部分的折射率增大光波导激光内雕激光内雕电极绝缘体电极极化效果验证热极化热极化光极化光极化光纤193nm紫外光样品电极1.5mm光1.5mm光紫外光极化紫外光极化利用极化制备二利用极化制备二阶非线性光学玻阶非线性光学玻璃璃五、结五、结 语语 玻璃材料是一种目前其它材料不可替代的透明材料，玻璃材料是一种目前其它材料不可替代的透明材料，在国民经济和社会发展中有着重要的地位和作用在国民经济和社会发展中有着重要的地位和作用 玻璃材料的制备方法多种多样，应根据用途、目的玻璃材料的制备