第三章-功能玻璃材料优秀课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第三章 功能玻璃材料,由于原子能、电子工业、计算机、医疗、激光等,近代科学技术的发展,及,国防工业,的需要，,玻璃材料,和其他,无机非金属材料,一样，发展非常迅速。,2,玻璃,具有一般材料难于具备的,透明性,，具有优良的,机械力学性能,和,热工性质,。,随着现代技术的发展，不断向多功能方向发展。玻璃的,深加工制品,能具有控制光线、调节温度、防止燥音和提高建筑艺术装饰等功能。,3,平板玻璃,是指,未经其他加工,的平板状玻璃制品，也称白片玻璃或净片玻璃。,平板玻璃是,建筑玻璃,中生产量最大、使用最多的一种，主要用于门窗，起采光、围护、保温、隔声等作用，也是进一步加工成其他技术玻璃的原片。,4,钢化玻璃,钢化玻璃又称,强化玻璃,。它是用物理的或化学的方法，在玻璃表面上形成一个,压应力,层，玻璃本身具有,较高的抗压强度,，不会造成破坏。当玻璃受到外力作用时，不 易破碎。,5,夹丝玻璃,也称,防碎玻璃,或,钢丝玻璃,。它是在玻璃熔融状态下，将经预热处理的,钢丝,或,钢丝网,压入玻璃中间，经退火、切割而成。,夹丝玻璃表面可以,压花,或,磨光,，颜色可以制成无色透明或彩色。,6,由于,钢丝网,的,骨架作用,，不仅提高了玻璃的,强度,，而且受到冲击或温度骤变而破坏时，碎片不会飞散，避免了对人的伤害。,在出现火情时，火焰蔓延，夹丝玻璃受热炸裂，由于金属丝网的作用，玻璃仍能保持固定，隔绝火焰，故又称为,防火玻璃,。,夹丝玻璃,7,夹层玻璃,是在两片或多片玻璃原片之间，用,PVB,（聚酯缩丁醛）,树脂胶片,，经过,加热,、,加压粘合,而成的平面或曲面的,复合玻璃制品,。,用于,夹层玻璃的原片,可是普通平板玻璃、钢化玻璃、彩色玻璃、吸热玻璃或热反射玻璃等。,8,透明性好,，,抗冲击性能高,，用多层普通玻璃或钢化玻璃复合起来，可制成,防弹玻璃,。由于,PVB,胶片的粘合作用，玻璃即使破碎时，不会伤人。,通过采用不同的,原片玻璃,，夹层玻璃还可具有耐久、耐热、耐湿等性能。,有较高的,安全性,，一般用作小汽车前的挡风玻璃、彩色夹层玻璃，高层建筑门窗、天窗和商店、银行、珠宝的橱窗、隔断等。,夹层玻璃,9,中空玻璃,结构形式：玻璃气体层玻璃,优点：隔热、隔音、防结露、防结霜等，一般导热性能极低，露点低于,-40,。,10,电真空玻璃,功能：真空密闭、透光、封接匹配、防辐射,光源常用的品种：白炽灯 日光灯 高压钠灯,显示器玻壳：电脑显示器，电视显相管。,11,钛化玻璃,也称,永不碎铁甲箔膜,玻璃。是将,钛金箔膜,紧贴在任意一种玻璃基材之上，使之结合成一体的新型玻璃。,具有,高抗碎,能力，,高防热,及,防紫外线,等功能。,不同的,基材玻璃,与不同的,钛金箔膜,，可组合成不同色泽、不同性能、不同规格的钛化玻璃。,12,节能型玻璃,是集,节能性,和,装饰性,于一体的玻璃。,节能装饰型玻璃,通常有美丽的外观色彩，且还有特殊的对,光,和,热,的吸收、透射和反射能力，已广泛应用于各种高级建筑物上。,13,在,装饰领域,，玻璃并不陌生，早在中世纪的,教堂建筑,中就存在着它们彩色家族的踪影，到今天的,玻璃幕墙,，,玻璃工艺品,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,实际上，,玻璃,是经,熔融,、,冷却,、,固化,过程的,非晶态物体,。它具有,透明,、,坚硬,、,耐腐蚀,等显著特性。,除此之外，玻璃在,光、电、磁,方面性能也特别优异，如照相、显微、望远及在现代通讯技术中起重要传输作用的光纤电缆等。,43,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,44,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。,45,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。,46,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。,47,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。,48,(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；,49,(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；,50,(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；,51,(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。,52,新型功能玻璃,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。,53,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。,54,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。,55,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：,、控制,基质玻璃成分的变化；,、控制,析出晶相类型及微晶大小。,56,传统的,微晶玻璃,为,Li,2,O-Al,2,O,3,-SiO,2,和,MgO-Al,2,O,3,-SiO,2,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。,57,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,Li,2,O-SiO,2,和,Li,2,O-2SiO,2,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,。,58,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。,59,微晶玻璃的分类,从,外观,看，有,透明,微晶玻璃和,不透明,微晶玻璃；按,微晶化原理,分为,光敏,微晶玻璃和,热敏,微晶玻璃；,按照,性能,分为,耐高温,、,耐热冲击,、,高强度,、,耐磨,、,易机械加工,、,易化学蚀刻,、,耐腐蚀,、,低膨胀,、,零膨胀,、,低介电损失,、,强介电性,、,强磁性,和,生物相容,等种类。,60,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；,61,按,所用材料,，,微晶玻璃,则分为,技术,微晶玻璃和,矿渣,微晶玻璃两类；,此外，还可按,所含氧化物特点,等方法分类。,62,一、微晶玻璃的性质,1,力学,性质,2,热学,性质,3,化学稳定,性,4,光学,性质,5,电学,性质,63,1力学性质,(1)机械强度,(2)硬度及耐磨性,(3)弹性模量,64,(1)机械强度,微晶玻璃,的机械强度比,一般玻璃,、,陶瓷,材料以及某些,金属材料,高得多。,抗压强度,为0.59 1.02,GPa，,抗弯强度,为88.2 220.5,MPa，,抗张强度,为49 137.2,MPa；,65,特殊,的或,增强,的微晶玻璃，,抗弯强度,高达411.6 548.8,MPa。,微晶玻璃的,抗冲击强度,为2.94 9.811,MPa，,是普通玻璃的,l 2,倍，但仍属于,脆性材料,。,66,属于,高强度的微晶玻璃,，有以下三种：,Li,2,OMgO-Al,2,O,3,-SiO,2,Li,2,O-ZnO-Al,2,O,3,-SiO,2,(BaO、PbO)-Al,2,O,3,-SiO,2,-TiO,2,系统。,67,当,高膨胀系数,(9.0,10,-6,10.0,10,6,K,-1,，25 300),的微晶玻璃的表面,被覆上,比其膨胀系数小(1.0,10,6,3.9,10,6,K,-1,),的,涂层,后，可获得很高的强度。,68,(2)硬度及耐磨性,微晶玻璃,硬度很高,，具有突出的,耐磨,性能。其硬度高于,高碳钢,、,花岗岩,，接近,淬火工具钢,的硬度。维氏硬度5.9 9.3,GPa。,69,属于,高硬度的微晶玻璃,有以下三种系统：,CaO-Al,2,O,3,-SiO,2,；,MgO-BaO-Al,2,O,3,；,CaO-TiO,2,-CeO,2,。,70,(3)弹性模量,在弹性范围内大多数材料服从虎克定律，即变形与受力成正比。,纵向应力,与,纵向应变,的,比例常数,就是材料的,弹性模量,E,，也叫杨氏模量。,它是用来表征,物体变形难易程度,的参数。,E,以单位面积上承受的力表示，单位为牛,/,米,2,71,横向应变,与,纵向应变,之比值称为,泊松比,，也叫横向变性系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。,微晶玻璃的,弹性模量,一般为88 98,GPa，,泊松比,为0.2150.29。,此外，微晶玻璃比铝轻，密度值为2.4 2.6,g cm,-3,。,72,2,热学性质,(1)热膨胀系数；,(2)热稳定性；,(3)软化温度。,73,(1)热膨胀系数,采用,不同组成,及,热处理方法,，可以制得,多种膨胀系数,(膨胀系数值为-1.2,10,-6,20.0,10,-6,K,-1,),的微晶玻璃。,74,如以,石英为主晶相,的,Li,2,O-Al,2,O,3,-SiO,2,系统玻璃，膨胀系数值为-4,l0,-7,4,l0,-7,K,-1,，,最高,使用温度,为800 850。,由于这种微晶玻璃是透明的，所以可代替,透明的石英玻璃,。,75,以,锂辉石为主晶相,的,Li,2,O-Al,2,O,3,-SiO,2,系统玻璃，膨胀系数值为7,10,-7,11,10,-7,K,-1,(25 300)，,最高安全,使用温度,为1170，烧至红热态投入水中也不破裂，用于制,烹饪器皿,等。,76,(2)热稳定性,由于微晶玻璃,膨胀系数值低,，,抗张强度高,，所以具有,优良的热稳定性,。有的可以经受100 150的温度剧变而不破坏，有的还能在,温差高,达400的条件下使用。,77,(3)软化温度,由于,微晶玻璃,中含有,大量晶体,，所以在晶体熔化点以下时，其,粘度,几乎与,温度,没有关系。,当,晶体熔化,后，其,粘度显著降低,，故在微晶玻璃所含晶体的熔化温度以下时，它有比,一般玻璃,高得多的使用温度，其负荷软化温度为560 1340。,78,微晶玻璃在25400时的,比热容,为7.7410,2,9.21,10,2,J(kg K)。,微晶玻璃的,导热性比较低,，是,热绝缘材料,。在25时，各种微晶玻璃的,热导率,为0.796,4.19 w.m,-1,.K,-1,79,3化学稳定性,微晶玻璃的,耐酸耐碱,性高于,一般玻璃,，大致同,硼硅酸盐玻璃,相当。对,王水,有非常高的稳定性，仅有轻微的侵蚀。,80,例如:,以,石英为主晶相,的微晶玻璃，在90时与15,HCl,作用，经24,h，,其侵蚀量为,0.04,0.05，,以,锂辉石为主晶相,的微晶玻璃，其侵蚀量则为,0.02,0.03。,81,4光学性质,光敏微晶玻璃,具有,感光显影,性质，可像一般照片的胶片一样进行,曝光和显影,。,以,Au、Ag,和,Cu,等金属为,成核剂,的玻璃，可用镂空图案的铅皮、铁片、照相底片等,贴在玻璃表面,，然后,用紫外线照射,进行曝光。,82,曝光后的玻璃，加热到,高于退火温度,进行热处理。最终，,紫外线照射的部分,，被,晶化,或着,色,，而,没有被照射部分,仍然,透明,或,颜色不变,，因此，所需的图案就,在玻璃中,显示出来。其中，,热处理过程,也称为,显影过程,。,83,5电学性质,(1)介电常数,(2),介电损失系数,84,(1)介电常数,一般玻璃,的介电常数为420，最高的是40(25,1000,Hz)。,以,BaTiO,3,、NaNbO,3,、,PbTiO,3,为主晶相的,强介电性微晶玻璃,(,BaO(PbO)-TiO,2,-Al,2,O,3-,-SiO,2,，Na,2,O-Nb,2,O,5,-SiO,2,系统，其介电常数高于100。,85,一般微晶玻璃在,高频,、,高温,的条件下，也有很高的,介电常数,(5 10)。,温度变化,对微晶玻璃影响很小，在25 800间，其介电常数仅相差0.3。,86,在高频、高温条件下，微晶玻璃,击穿电压,也非常,高,，一般为2.3,10,7,7.1,10,7,Vm。,无碱,微晶玻璃,MgO(BaO)Al,2,O,3,SiO,2,，,其,主晶相,为,堇青石,，有良好的电绝缘性，其电阻率为,l08.6,.cm。,87,堇青石,堇青石(,Iolite),属,斜方,晶系，,化学式,为,Mg,2,Al,4,Si,5,O,18,，,硬度,为,7.5 8，,比重,为2.572.61，,折射率,为1.542 1.551，断口处呈,油脂光泽,。,附,88,堇青石的,颜色,很像蓝宝石，但是，由于常含有水，所以又称为,水蓝宝石,。,由于,堇青石,具有,蓝宝石的颜色,及,有光泽,且,价格便宜,，因此更被戏称为,穷人家的蓝宝石,。,堇青石的,能量,是,相当稳定,的，且不能,以加热的方式,来改变它的颜色，是一种货真价实的,宝石,。,附,89,(2),介电损失系数,在高温、高频条件下，微晶玻璃,介电损失系数很低,，某些微晶玻璃在10,10,Hz、500,时,介电损失系数,值为0.010。,90,以,BaTiO,3,、NaNbO,3,、,PbTiO,3,为主晶相的,强介电性微晶玻璃,在25、1000,Hz,时的,介电损失系数,为0.008 0.025,。,91,二、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,。,92,(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；,93,(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；,94,(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,；,95,(4),介稳相,转变为,稳定晶相,及,残余玻璃,。,96,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,。,97,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。,98,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。,99,1,贵金属成核剂,常见的,贵金属成核剂,有,Au、Ag、Cu、Pt、Ru、Rh,及,Pd,等；它们在玻璃中呈,离子状态,、吸收电子后转变为,原子态,。,100,由于,贵金属成核剂,在玻璃中,溶解度较小,，因此，它们,以胶体形式析出,，从而转变成,玻璃析晶,的,成核剂,。其胶粒的大小一般为8,l0 nm。,101,2,氧化物成核剂,常用的氧化物成核剂,有,TiO,2,、ZrO,2,和,P,2,O,5,。,它们易溶于,硅酸盐玻璃,，,配位数,较高，并且,阳离子的场强,较大，在热处理过程中，容易,从硅酸盐网络中分出，导致,分相,、,结晶,。,102,ZrO,2,在,玻璃熔体,中(尤其是在,低碱玻璃,中)难以溶解。但当它同,P,2,O,5,共同使用,时，则能显著提高其溶解度，因而得到广泛应用。,103,过渡元素的氧化物，如,Cr,2,O,3,、Fe,2,O,3,、V,2,O,5,、NiO、MnO,等也可作为,成核剂,，但由于它们能使,玻璃着色,，故较少采用,。,104,三、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：,105,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,106,微晶,玻璃配方及生产工艺,条件应满足下面的五个的要求：,、玻璃,易熔制,且,不被污染,；,、熔制及成型过程中,不析晶,：,、成型后的玻璃有良好的,加工性能,；,、,微晶化处理时,能迅速,实现整体析晶,：,、产品能,满足设计的理化性能,要求。,107,影响微晶玻璃综合性能的三大因素,原始组成的成份,微晶体的尺寸和数量,残余玻璃相的性质和数量。,其中，和 是由微晶玻璃晶化热处理技术决定。,108,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,。,109,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,110,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,111,1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,。,112,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。,113,低膨胀微晶玻璃热处理过程图,例如，用,Li,2,O-Al,2,O,3,-SiO,2,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。,114,2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。,115,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。,116,四、微晶玻璃制备工艺,生产方法,压延法：烧结法：,117,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,118,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,119,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,120,烧结法原理,目前,建筑用微晶玻璃,均采用烧结法；,基本原理是：玻璃是一种处于亚稳状态的非晶态固体。从热力学观点看，在一定条件下，可以转化为结晶态；从动力学观点来看，玻璃熔体在冷却过程中，粘度急剧增加抑制晶核的形成和晶体长大，阻止了结晶体的成长变大。,建筑用微晶玻璃,充分应用了热力学上的可能和动力学上的抑制，在一定条件下，使这种相反相成的物理过程，形成一个新的平衡，而获得的一种新材料。,121,工艺关键,原料的配比,和,工艺的设计,；其中，工艺的设计是技术的关键。,首先是,烧结淬火,-,把原材料按照比例配好，放到窑炉里烧熔，等全部融化之后，把熔液倒在冰冷的铁板上；,淬火之后，把玻璃捣碎，装入模具，抹平，再次放入窑炉，这次煅烧使它的,原子排列规则化,，从而,普通玻璃,变为,微晶玻璃,122,烧结法工艺的热点和难点,玻璃熔融：,微晶玻璃通常使用池窑熔化。它的生产成本与质量均优于坩锅炉。但建筑微晶玻璃池窑不能照搬一般玻璃池窑，它要便于排料、换料、停炉。,123,烧结法工艺的热点和难点,晶化热处理,：玻璃经晶化热处理后，才能形成微晶玻璃。晶化炉也不同於一般的热处理炉和陶瓷烧烤炉，其温度场和结构，要适合微晶玻璃晶化热处理的特点和工艺。,124,烧结法工艺的热点和难点,如何根据建筑师的美学要求，方便逼真调制各种色彩的微晶玻璃，防止自爆和气孔，提高大面积板材平整度，降低成本，是进一步推广建筑微晶玻璃应用的热点和难点。,125,实例,-,矿渣微晶玻璃,主要原料是：高炉矿渣,(62,78,),、硅石,(22,38,),和其他非铁冶金渣等。,一般需要由下列化合物组成：,SiO,2,40,70,，Al,2,O,3,5,15,，,CaO 15,35,，,MgO 2,12,，,Na,2,O 2,12,，晶核剂,5,10,。,126,工艺参数,在固定式或回转式炉中，将高炉矿渣与硅石和结晶催化剂一起熔化成液体，然后用吹、压等一般玻璃成型的方法成型，并在,730,830,下保温,3h,，最后升温至,1000,1100,并保温,3h,，使其结晶、冷却即为成品。,加热和冷却速度宜低于,5,min,，结晶催化剂为若干氟化物、磷酸盐和铬、锰、钛、铁、锌等多种金属氧化物，其用量视高炉矿渣的化学成分和微晶玻璃的用途而定，一般在,5,10,左右。,127,制品,:,建筑用材,128,制品,:,透明微晶玻璃,129,130,制品,:,效果,131,132,五、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。,133,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。,134,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,。,135,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,136,(1)金属单质复相微晶玻璃,传统的典型,金属单质微晶玻璃,是,光敏微晶玻璃,。,用溶胶-凝胶法将,金属单质,Au、Ag,等,在,SiO,2,玻璃中,均匀析出，形成的,复相结构,的材料，具有独特的,光学性能,和,半导体特性,，这种材料在,压敏,、,气敏,、,湿敏,等领域具有广泛的潜在应用。,137,(2)氧化物半导体复相微晶玻璃,以,氧化物半导体,如,ZnO、CdO、FeO,等过渡金属氧化物,与玻璃复合,而形成的,复相结构,，通常具有良好的,电性能,，这类材料在,电压敏,等方面有着广阔的应用前景。,138,(3)化合物半导体复相微晶玻璃,以,CdS、PbS、CdTe、Cd,1-x,Hg,x,Te,等,II-IV,族化合物，以及,Al P,等,III-V,族化合物半导体与玻璃复合能形成一类新型精细复合功能材料。,这些材料在,非线性光学,、,光致发光,、,场致发光,等,领域具有优良的性能和良好的应用前景。,139,(4)铁电复相微晶玻璃,很早人们采用,熔融工艺,开始研究,铁电微晶玻璃,，主要包括,BaTiO,3,，PbTiO,3,、NaNbO,3,等体系。,利用该方法制备,复相微晶玻璃,主要集中在,含有晶体取向的,微晶玻璃的制备方面。,熔融工艺,方法的主要有以下三个方面的缺点：,140,1、通常需要在,1400 1600,左右的温度熔融，极大地,限制了难熔组分,和,易挥发组分,的使用。,、这种方法比较容易,出现杂相,，极易产生热力学,亚稳晶相,。,141,3、是,功能晶相含量不能太高,。,这是因为，首先要,形成玻璃相,，成分中必须有,玻璃形成氧化物,，而,易形成铁电相的组分,往往又不是,玻璃形成氧化物,，而添加,玻璃形成氧化物,就必然降低,铁电相,的含量，从而降低其性能。,142,用溶胶-胶法可以使,BaTiO,3,、PbTiO,3,等高介电常数的,铁电相,与,玻璃相,在很大范围内复合，形成具有,铁电性能,的复合功能材料。,143,铁电性能,的复合功能材料，具有良好的,介电频率,和,介电温度,特性，它对研究,铁电体尺寸效应,，对制备,高性能电介质材料,和,微电子厚膜浆料,等方而具有重要的理论和实用价值。,144,(5)铁磁复相微晶玻璃,铁磁性微晶玻璃,传统工艺已有广泛的研究，而用溶胶-凝胶法将纳米,MnFe,2,O,4,、NiFe,2,O,4,、ZnFe,2,O,4,、BiFeO,3,等,铁磁相,和,玻璃相,复合是近年才引起重视的研究方向,。,145,用溶胶-凝胶法形成的具有,铁磁性的功能材料在,磁光控制,、,吸波材料,、,微波器件,等方面具有重要的应用前景。,146,(6)其他复相微晶玻璃,将,光变色晶相,与,玻璃,复合形成的,光致变色复相微晶玻璃,；,将,光变色染料,、,激光染料,等,有机功能相,与,玻璃相,复合形成性能优良的,非线性光学材料,；,147,将有,生物活性的功能晶相,或者,生物酶,与,玻璃相,复合形成,生物复相微晶玻璃,，,这些,复相微晶玻璃,把,无机界与生物界,联系起来，从而开辟出一个新材料领域。,148,五、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。,149,1微晶玻璃装饰板材,(1)耐候性好，抗污染。,由于,天然石材,均有一定的,吸水性,，这一特点将导致其,渗水,、,渗碱,，甚至,渗泥浆,，,不能长期,抗大气及雨水的污染,，使污染物浸蚀石材表体，从而影响其原有的色泽。,150,而,微晶玻璃板材,则具有,永不吸水,特点，反而还借此“天雨自涤”的机会自清洁，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。,因此,微晶玻璃板材,耐候性好,，,抗污染,，可大大降低建筑物维护保养成本。,151,(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。,152,微晶玻璃装饰板材,的,表面光洁度,更是远远高于,天然石材,，其光泽亮丽柔和，并能使建筑物富有豪华壮观气派，从而达到非凡的装饰效果，尤其是,纯白,、,纯黑,及,纯单一色彩,的微晶玻璃更是天然石材所不及的,因为天然花岗石难以避免明显的色差。,153,(3),优良的机械、化学稳定性可确保安全性,微晶玻璃是,无机硅酸盐材料,经,高温晶化,精制而成，其结构,均匀致密,，比天然石材更为,坚硬,、,耐磨,、,耐酸碱,，能经受全天候风吹、日晒雨淋而不变色、不褪色，加上,机械强度性能优越,，能,抗强力冲击,而不破裂，可确保建筑物安全性。,154,(4)易于加工成各种规格，又有良好环保性能,微晶玻璃板材,可根据需要加工成各种厚度的,板材和异型材,，切割成各种规格。,另外，它是用,无机硅酸盐材料,加工而成，因此,微晶玻璃不含放射性物质,，确保了环境无放射性污染。这也是微晶玻璃优于天然石材的独到之处。,155,可用标准金属加工工具和设备进行车、铣、刨、磨、钻、锯切和攻丝等加工。,156,2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157,用作,建筑隔堵,和,建筑砌块,的,微晶玻璃,，其晶化程度不像,装饰用微晶玻璃,要求那么高。因此，可以克服,微晶玻璃成晶率低,的不足。,158,另一方面，微晶玻璃,原料广泛,，可利用多种工业废料（如废渣、废土），包括：矿石、工业尾矿、冶金矿渣、粉煤灰、煤矸石等。,利用,矿渣,在熔融状态下,用加进空气、蒸气或水处理的方法制成的,泡沫矿渣,微晶玻璃，作为,填充材料,和,结构材料,最宜用于轻质墙构筑物。,159,由于,微晶玻璃制品,具有很高的,耐热性,，因此还可作为,高温状态下,建筑结构材料,。,墙体材料,是,各种建筑中,用量最大的材料，微晶玻璃将在,墙体材料,中，特别是,高层建筑中,发挥大的作用，这也为废料利用开辟一条新途径。,160,3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。,161,微晶玻璃波纹板,具有很,高的机械强度,和,吸水率为零,的优良性能，可广泛用作,屋面材料,或,分层壁板的覆盖层,。,微晶玻璃,保温,、,隔热,、,耐磨性能,好，可作,保暖,或,非保暖工业建筑物的屋盖、地板,等。,162,4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。,163,例如，,矿渣微晶玻璃制品,无论是,耐磨性,、,强度,和,抗化学腐蚀能力,都比,陶瓷,高，同,石棉水泥制品,相比，它具有不吸水、不弯曲等性能。,矿渣微晶玻璃,的,耐火性,，,耐大气侵蚀,和,强度,的技术指标都远远超过,建筑塑料,，而且没有毒性。,164,除了,纯微晶玻璃制品,外，还可以制备,复合微晶玻璃制品,，如,钢丝增强微晶玻璃,，或,耐火用的微晶玻璃钢,，,防火用的泡沫,或,非泡沫微晶玻璃扳,等。是具有发展前途的,21,世纪的新型材料,165,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。,166,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。,167,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。,168,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。,169,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,。,170,将,多根光导纤维,粘合成块，切成平片，,在各种光电系统中,能作为具有,高的光学耦合效率,和,很小畸变的传光介质,使用。,171,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。,172,一、光导纤维的传光原理,入射到两种,折射率不同介质,界面上的光，一部分反射，另一部分经折射透射过去。,当光的入射角度变大到使折射角成90度时,，就造成,入射光在界面上,的,全反射,。,173,光纤通信就是利用这种,内全反射,的原理。,即，入射到光纤内的光，如果能满足,芯和包层界面上,内全反射,的条件，光就可,在纤维内,不断向前反射，,沿着纤维轴,向前传输。,174,表面平滑的,透明玻璃纤维,能使光,在高、低折射率界面,通过全反射而独立地、高效地传光。,为了使实际所传递的光,有足够的亮度,，并利用,纤维传光的独立性,进行传像，因此把许多纤维集合起来使用。,175,光导玻璃纤维,按,成分,分为,石英光纤,、,多组分光纤,和,非氧化物(卤素)光纤,三类；,按,折射率的变化,可分为,阶跃型(包皮型)光纤,和,梯度型(渐变型)光纤,两类。,176,包皮型光纤,由高折射率的,芯玻璃,和低折射率的,皮玻璃,组成，后者为了保证光学绝缘，厚度必须大于所传递波长的1/2。,这种结构保证了,在一定入射角下,射入纤维端部的光线始终,在芯-皮界面上,达到全反射。光线在这种纤维中以,折射形式,传播。,177,纤维的折射率,从中心至四周,逐渐,以近抛物线形式,减小，光在纤维中传播时是,沿轴线方向,振荡式进行，形成一种正弦形曲线。,178,梯度折射率纤维,能起透镜的作用，单根纤维即可传像，相当于能弯曲的透镜，所以，,梯度折射率纤维,又称作,自聚焦纤维,。通常,利用离子交换,使光纤有,梯度折射率。,179,通信纤维,在,传光的模式,上又可分为,单模的,或,多模的,两种。,通常,包皮型纤维,为,多模纤维,，但当纤维芯径降至和传播光的波长可比拟，而芯-皮折射率差又很小时，纤维就相当于一个波导管，能进行,单模传递,，此时称为,单模纤维,。,180,包皮型光导纤维,用,数值孔径,(,NA),来表征它的集光能力，它是光纤的基本参数。,n,o,、,介质(一般为空气)的折射率;,n,1,、芯玻璃的折射率;,n,2,、皮玻璃的折射率。,181,上述公式由,几何光学定律,推出，仅适用于,子午光线,(即入射于,纤维子午面上,的光线)，所以由此公式所得的又称“,名义数值孔径,”。,182,由于,纤维芯-皮界面,不完整性,引起光的吸收和散射，从而使,有效数值孔径,总是小于“,名义数值孔径,”。,光导纤维元件的,数值孔径,决定于,纤维元件的材料,，它不受,元件截面大小,的影响，因此有广泛的选择余地。这是纤维光学,除弯曲传光外,的另一个重要的特点。,183,二、光导纤维对玻璃材料的要求,光导纤维,是由,玻璃材料,经,加热拉伸,并,迅速冷却,制成的。,这种方式所形成的,玻璃纤维,与同成分的,块状玻璃,在,光学和热学,性能上常会发生较大的差异。,184,由于在,玻璃纤维,中要求,包皮玻璃和芯玻璃,有大面积的粘结,，而且,在拉制纤维的高温下,，,包皮玻璃和芯玻璃,还会,相互作用,，因而，所用,玻璃,的,热学性质和机械性质,的差别都将影响纤维制品的强度。,185,在制成各种,电子管用,的,纤维面板,时，纤维尚需经受,热压,、,堵漏,和,管壳封接,等多次热处理。,因此，对制