特种玻璃详解word版本.ppt

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1、特种玻璃特种玻璃2016详详解解无规则网络学说无规则网络学说 微晶学说微晶学说玻璃结构玻璃结构扎哈里亚森扎哈里亚森(Zachariasen)(1932年年)和列别捷夫和列别捷夫(.)(1921年年)2022/12/1421.2 特征特征 各向同性；无固定熔点；亚稳态；变化可逆；可变性（成分与性能依存性变化）。1.3 原料原料l 主要原料：纯碱、石灰石、石英、硼砂、硼酸、芒硝、白云石、碳酸钡、铅丹等。l 辅助原料：澄清剂、着色剂、脱色剂、乳浊剂、加速剂等等。2022/12/1431.4 加工工艺加工工艺 原料加工原料加工熔炼熔炼成型成型退火退火 压制法压制法：玻璃毛坯、小型园盒、园片;吹制法吹制

2、法：瓶、罐、酒具;拉制法拉制法：玻璃丝、管、棒、小薄片;压延法压延法：压花平板玻璃、摊薄玻璃;浇注法浇注法：不规则玻璃毛坯、艺术玻璃;烧结法烧结法：玻璃粉压坯烧结、微晶玻璃;浮法浮法：平板玻璃生产。2022/12/1442022/12/14玻璃的生产2022/12/1462.特种玻璃特种玻璃2.1 主要特点：主要特点：（1 1）成分变化：）成分变化：a.从纯硅酸盐纯硅酸盐系统发展到硼酸盐、磷酸盐、锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐、砷酸盐、铋酸盐、铅硅酸盐等非硅酸盐氧化物非硅酸盐氧化物系统；b.从纯氧化物玻璃发展至卤化物、硫族化物、合金化合物等非氧化物玻璃；c.不同类型玻璃混合而成的混合玻璃；d.纯无机化

3、合物玻璃至有机-无机复合玻璃；f.从单纯成分至以元素周期表中大部分元素为成分的玻璃。2022/12/1472022/12/148（2 2）形状变化：）形状变化：从传统的板、块从传统的板、块状发展至薄膜、纤维，状发展至薄膜、纤维，即从三维发展到二维、即从三维发展到二维、一维。还有纳米空心一维。还有纳米空心和实心玻璃微球等零和实心玻璃微球等零维制品。维制品。3M公司玻璃空心微珠2022/12/149（3 3）玻璃态变化：）玻璃态变化：从单一均质玻璃结构发展到分相玻璃、乳从单一均质玻璃结构发展到分相玻璃、乳浊玻璃、微晶玻璃、泡沫玻璃、空气薄膜玻璃。浊玻璃、微晶玻璃、泡沫玻璃、空气薄膜玻璃。参与材料复

4、合：金属玻璃、夹层玻璃、玻参与材料复合：金属玻璃、夹层玻璃、玻璃钢、玻纤增强水泥、微晶玻璃等。璃钢、玻纤增强水泥、微晶玻璃等。2022/12/1410（4 4）功能变化：）功能变化：从单纯的透光、包装材料发展成具有光、从单纯的透光、包装材料发展成具有光、电、磁和声等特性材料电、磁和声等特性材料;玻璃本身也从单纯玻璃本身也从单纯材料发展为元器件材料发展为元器件;生物玻璃甚至可以修补生物玻璃甚至可以修补替代有机体。替代有机体。2022/12/1411（5 5）制备工艺变化：）制备工艺变化：高温熔融法传统玻璃采用坩埚窑、池窑高温熔融法传统玻璃采用坩埚窑、池窑制备制备,特种玻璃发展为电、高频感应、高压

5、真特种玻璃发展为电、高频感应、高压真空、等离子火焰、激光等手段熔炼。还产生空、等离子火焰、激光等手段熔炼。还产生了气相合成、真空蒸发、溅射、了气相合成、真空蒸发、溅射、CVDCVD、MOCVDMOCVD等气相沉积、双辊急冷、低温合成、高能射等气相沉积、双辊急冷、低温合成、高能射线辐照合成，溶液线辐照合成，溶液-凝胶等制备方法。凝胶等制备方法。2022/12/14122.2 特种玻璃的主要类型特种玻璃的主要类型光功能（光学）玻璃光功能（光学）玻璃电功能玻璃电功能玻璃磁功能玻机磁功能玻机械功能玻璃械功能玻璃生物功能玻璃生物功能玻璃化学功能玻璃化学功能玻璃热功能玻璃热功能玻璃2022/12/1413

6、 3.光学玻璃光学玻璃基本特性要求：基本特性要求：（1）特定光学常数和同批一致性特定光学常数和同批一致性（2）高度透明性高度透明性（3）高度均匀性高度均匀性（4）一定的化学稳定性一定的化学稳定性（5）一定的耐热性质及机械性质一定的耐热性质及机械性质 2022/12/1414光学玻璃分类光学玻璃分类 l无色光学玻璃无色光学玻璃l颜色滤光玻璃（滤色玻璃）颜色滤光玻璃（滤色玻璃）l原子技术玻璃（耐辐照玻璃及防护玻璃）原子技术玻璃（耐辐照玻璃及防护玻璃）l红外光学玻璃红外光学玻璃2022/12/14153.1 无色光学玻璃3.1.1基本概况基本概况钠钙硅酸盐玻璃钠钙硅酸盐玻璃 轻冕玻璃轻冕玻璃 （钡、

7、锌、硼、磷玻璃）钡、锌、硼、磷玻璃）重冕玻璃重冕玻璃、火石玻璃（铅、铜、火石玻璃（铅、铜、铋、镧）铋、镧）冕牌玻璃冕牌玻璃(K)一般作凸透镜，火石玻璃一般作凸透镜，火石玻璃(F)作凹透镜。作凹透镜。2022/12/14163.1.2 几种常用的无色光学玻璃几种常用的无色光学玻璃2022/12/14173.1.3 基本要求基本要求（1）具有特定光学常数，一致性好；）具有特定光学常数，一致性好；（2）高度透明性，高度物化均匀性；）高度透明性，高度物化均匀性；（3）一定化学稳定性、耐热性和机械强度；）一定化学稳定性、耐热性和机械强度；（4）原料要求高，特别控制含铁量）原料要求高，特别控制含铁量Fe2

8、O30.005；（5）采用单坩埚间歇法和小池炉连续法，精炼用白金）采用单坩埚间歇法和小池炉连续法，精炼用白金坩埚；坩埚；（6）采用精密退火，退火速率最低采用精密退火，退火速率最低0.2-1h。2022/12/14183.1.4 评价指标光吸收系数光吸收系数：用白光通过玻璃中每cm路程内的透过率T的自然对数负值表示 。条纹度：条纹度：条纹状包裹物。折射率：折射率：ncd，c、d分别表示光在真空和玻璃中传播速度。n=nii ni 为组分i 折射率、i为组分摩尔数色散：色散：折射率随波长改变的特性。光学均匀性和应力双折射光学均匀性和应力双折射 ：成分不均匀性或应力差异引起局部折射率不一样，材质表征称

9、为应力双折射，换算成单位间距光程差(nm/cm)。2022/12/14193.2 颜色滤光玻璃（滤色玻璃）颜色滤光玻璃（滤色玻璃）3.2.1 定义及用途定义及用途 对光谱具有选择吸收（或能透射）各种颜色的光学玻璃称为颜色滤光玻璃。由于吸收某波长，透过光则呈现所吸收波长的补色，又称为颜色玻璃或有色玻璃。用于光学仪器中作为滤色元件，形成单色光用于某些仪器，滤去其它光波对仪器的干扰。2022/12/1420CIE 1931 XYZ系统色品图 2022/12/14213.2.2 分类分类（1）按光谱性能分：）按光谱性能分：l截止型颜色滤光玻璃l选择吸收性滤光玻璃l中性暗型滤光玻璃（在400一700 n

10、m光谱范围内有较均匀吸收的滤光玻璃）2022/12/1422（2）按着色剂分）按着色剂分l离子着色离子着色（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ce、Pr、Nd等）过渡元素的化合物，以离子状态存在于玻璃中，它们电子在未填满的3d轨道中跃迁，并在可见光谱区产生选择性吸收而引起着色。稀土着色是由于未完全填满的f电子跃迁产生的光谱吸收所致。l胶体着色胶体着色（Cu、Ag、Au、Pt；非金属元素S、Se、Te；化合物CdS、FeS、Sb2S2等）一般先以离子态溶解于玻璃中，经热处理转变成原子态并聚集、长大成胶体粒子，均匀分散在玻璃中的微小粒子对光的吸收和色散引起对可见光的吸收而着色，如金红、铜红、

11、银黄等。2022/12/14232022/12/1424l半导体着色（半导体着色（CdS和CdSe混合着色）其颜色随CdS/CdSe的比例可制取黄、橙、红、深红一系列颜色的玻璃。l表面着色表面着色 在玻璃表面用电浮法或采用热喷涂法涂敷透明、半透明或不透明的颜色涂层，还可以用印刷或喷涂玻璃色釉等，制成表面着色的颜色玻璃。l其他其他 如感光着色和镭射光学装饰玻璃等。将全息光栅或其他几何图形的光栅用特种材料和工艺处理在平板玻璃上，在光源的照射下产生物理衍射而着色。2022/12/143.3 原子技术玻璃原子技术玻璃玻璃的辐照着色玻璃的辐照着色 定义：普通光学玻璃经过相当剂量的辐射作用后，都明显变暗，

12、而较高剂量的高能辐射还能够使玻璃变成完全不透明。2022/12/1425机理机理：物质吸收辐射能量后，产生电离，释出的电子与结：物质吸收辐射能量后，产生电离，释出的电子与结构中的正空位复合，形成了构中的正空位复合，形成了F型色心型色心(正电荷又可被负正电荷又可被负空位捕获，形成空位捕获，形成V型色心型色心)。因为被色心束缚的电子或。因为被色心束缚的电子或空位都具有一定的能带结构，其能级间距相当于可见空位都具有一定的能带结构，其能级间距相当于可见光的光量子能，因此它们在可见光照射下会呈现出颜光的光量子能，因此它们在可见光照射下会呈现出颜色。由于玻璃中存在着各种各样的缺陷，因此经辐照色。由于玻璃中

13、存在着各种各样的缺陷，因此经辐照后，就会形成各类色心。后，就会形成各类色心。2022/12/14263.3.1 耐辐射光学玻璃耐辐射光学玻璃 （1）定义：定义：是特殊的无色光学玻璃，耐较高剂量的射线和射线，不会在可见光波段产生色心。能够改善玻璃辐照稳定性的离子有：Ce4+、cr3+、Mn4+、As5+、Sb5+、Fe3+以及其它的多价离子，这些离子通常称为抑制剂(或稳定剂)。2022/12/1427 含有Ce02的耐辐射光学玻璃在受到高能辐射作用后：Ce4+十eCe3+Ce4+和Ce3+的光谱吸收带均在紫外波段，即铈离子的任何价态的氧化物在可见光区域都没有吸收峰，因而不致影响玻璃的着色。（2）

14、机理（以）机理（以CeO2为例）：为例）：2022/12/14283.3.2 防护玻璃防护玻璃（1）定义：）定义：能够有效防护各种高能射线（X射线、射线、射线）辐射的玻璃。主要原子能工业、核医学、X 射线和同位素实验室等的窥视窗材料。2022/12/1429机理机理 X射线、射线等高能电磁波在通过介质时能导致介质的原子发生电离，因而又叫做电离射线。这类射线的波长与原子大小属同一数量级，所以组成分子的各元素的原子吸收系数原子吸收系数决定了材料对射线的吸收能力。玻璃常见氧化物中，Bi2O3、W2O3、PbO的质量吸收系数（cm2/g）较大。当射线穿过防护玻璃时内部产生光电效应，生成正负电子对，同时

15、产生激发态和自由态电子，使射入的射线能量降低不能透过，起到防护作用。2022/12/14302022/12/1431种类种类防防射线玻璃：射线玻璃：射线由于光电效应、康普顿效应、电子对形成和散射等原因而衰减。防射线玻璃的典型类型为高铅含量的重火石玻璃。防防 X 射线玻璃：射线玻璃：X 射线在玻璃中的衰减比射线大，防X射线常用低PbO含量的重火石玻璃。防中子玻璃：防中子玻璃：玻璃中含有大量对慢中子和热中子吸收截面积大的氧化物，如B2O3、CdO、稀土氧化物等。而快中子采用先慢化，再吸收的方法。常用的防中子玻璃是CdOB2O3系统吸收热中子玻璃。2022/12/142022/12/1432 为改善

16、化学稳定性和物理性能，可添加适量SiO2、Al2O3。若要求在吸收热中子的同时吸收中子反应过程中所产生的射线，玻璃中可引入PbO。实例：实例：PbO-CdO-SiO2：吸收射线、快、慢中子；PbO-Bi2O4-SiO2：较高吸收X射线、射线的能力；84PbO22Ta2O514B2O3：吸收射线能力最大；BaO-PbO-B2O3：吸收射线、中子；等等。2022/12/143.4 红外光学玻璃红外光学玻璃 3.4.1 红外光学材料红外光学材料 能透过红外光线的光学材料称为红外光学材料，主要分为晶体类、玻璃类及热压多晶材料三大类。能够制造红外探测、追踪及导航仪器。红外线技术的主要军事应用有红外夜视仪

17、、红外侦察、摄影、跟踪和导弹制导等等。如：高空红外摄影，反潜飞机等。2022/12/14333.4.2 玻璃类红外材料的特点玻璃类红外材料的特点l红外玻璃材料容易获得较高的光学均匀性，可用来制造光学要求高的大尺寸光学元件；l玻璃类材料不会解理，因此，具有较高的机械、冲击强度和较大的表面硬度；l大多数玻璃对大气作用稳定。2022/12/14343.4.3 红外光学玻璃红外光学玻璃（1）定义）定义 能透过红外线的特种光学玻璃。主要用于红外探测、追踪、导航仪器、红外夜视仪、红外侦察、摄影以及拉制红外光纤等（2）组成的设计）组成的设计 A.化学键强度越小，离子间吸引力越小，红外透过波长越远。玻璃生成体

18、氧化物的化学键强度：BOPOSiOGeOAlOAsO B.玻璃的网络外体氧化物可采用原子序数大的重金属氧化物(如Bao、Pb0、Bi2O3等)作为红外玻璃的组成;C.为了提高阴离子的质量，发展了非氧化物红外玻璃。2022/12/14352022/12/14362022/12/1437（3）种类）种类红外石英玻璃：羟基含量 5ppm的石英玻璃。在波长3.5m波段内有高的透过率；红外氧化物玻璃：包括铝酸盐玻璃钛酸盐玻璃锗酸盐玻璃和其他重金属氧化物玻璃。在3.5m至5.5m波段内有较高的透过率，但易失透。常引入SiO2GeO2或其他重金属氧化物来改善其成玻璃性；氟化物玻璃：主要有氟锆酸盐玻璃，氟铝酸

19、盐玻璃以及氟化钍和氟化铟系玻璃等。是唯一能在紫外、可见、一直到中红外波段都有高透过率的无机玻璃。但热学和机械性能较差，成玻璃性能也较差，不易获得大尺寸的制品；硫族化合物玻璃：由一种或几种硫族元素与镓Ga、硅Si、锗Ge、磷P和砷As等元素组成的玻璃。其热学和机械性能不及其他透红外玻璃。2022/12/142022/12/1438（4）制备工艺）制备工艺 透红外玻璃的制造工艺基本与相应玻璃的制造工艺相类似。硫属化合物玻璃采用超纯单质原料，且使用前除去表面氧化物及吸附的其他杂质。在制备过程中须采取措施使玻璃中对红外透过有影响的杂质降到最低。硫族化合物玻璃蒸气有剧毒，制备时必须采取防护措施。2022

20、/12/143.4.4 石英光学玻璃特点应用石英玻璃是二氧化硅单一成份的玻璃。（1）纯度高（2）透光性（3）热性能（膨胀小，耐高温、抗结晶等）（4）化学性能（5）电性能（高温绝缘材料）（6）机械性能（脆性大）（7）气密性（8）耐辐照u制作紫外及近红外光谱仪器;u火箭、导弹等高速飞行器用的光学窗口、观察窗以及红外整流罩等;u光学仪器工业中要求较高的标准具如镀盘及刻尺；u大型天文仪器；u反射镜和透镜等光学元件。2022/12/1439 功功 能能 玻玻 璃璃 名名 称称 组组 成成 举举 例例 应应 用用 及及 其其 它它光传输激光振荡光记忆光控制非线性光学感光及光调节选择透过偏光起偏通讯光纤光波

21、导微透镜玻璃红外玻璃激光玻璃激光玻璃光记忆玻璃PHB磁光玻璃磁光玻璃声光玻璃声光玻璃热光玻璃二阶非线性光学玻璃三阶非线性光学玻璃感光玻璃光致变色玻璃光致变色玻璃电致变色玻璃电致变色玻璃热致变色玻璃高分辩面扳玻璃高反射玻璃防反射玻璃选择透过玻璃偏振玻璃SiO2氧化物玻璃含碱硅酸盐玻璃铝酸盐、卤化物、硫系物磷酸盐、氟磷酸盐、氟化物玻璃Te-O、硫系物玻璃色素分子掺杂玻璃SiO2 K2O-PbO-SiO2高折射率玻璃含Au Ag Cu的氧化物玻璃Na2O-Al2O3-B2O3-SiO2WO2.MoO2等镀膜玻璃VO2等镀膜玻璃针状Ag.Au.Pt掺杂玻璃光通讯用光纤光的分路、耦合光信息处理红外窗口、

22、红外光纤激光核聚变、激光加工、激光医疗光盘未来的光盘光调制器、光开关光隔离器、传感器光分路、光偏转光倍频等光开关等图像记录、化学加工太阳镜、玻璃窗调光玻璃窗调光玻璃窗高质量显示光强度调节高质量显示光的调节光隔离器等4.其其 他他 光光 功功 能能 玻玻 璃璃2022/12/14404.1 激光玻璃激光玻璃普通灯光与激光的比较普通灯光与激光的比较 2022/12/1441原子内电子的跃迁过程原子内电子的跃迁过程碳原子示意图碳原子示意图原理原理2022/12/1442红宝石激光的示意图红宝石激光的示意图 粒子数反转的状态粒子数反转的状态 2022/12/14431.低能量激光：以气体为激光介质，例

23、如超市中常用的条低能量激光：以气体为激光介质，例如超市中常用的条形码扫描仪，就是用氦气和氖气作为激光介形码扫描仪，就是用氦气和氖气作为激光介 质的；质的；2.中能量激光：例如在课堂上用的激光指示器；中能量激光：例如在课堂上用的激光指示器；3.高能量激光：一般用半导体作为激光介质，输出的功率高能量激光：一般用半导体作为激光介质，输出的功率可高达可高达 500 mW。用于热核聚变实验的激光可发射出时。用于热核聚变实验的激光可发射出时间极短但能量极高的激光脉冲，其脉冲功率竟可达间极短但能量极高的激光脉冲，其脉冲功率竟可达1014 W！可产生达一亿度的高温，引发微粒状的氘！可产生达一亿度的高温，引发微

24、粒状的氘-氚燃料进氚燃料进行热核聚变。行热核聚变。激光器分类激光器分类2022/12/14444.1.1 激光玻璃特点激光玻璃特点(与激光晶体相比较与激光晶体相比较)基质玻璃易于改变，成分可以在很大范围内基质玻璃易于改变，成分可以在很大范围内变化，以获得不同性质的激光玻璃；变化，以获得不同性质的激光玻璃；玻璃中的结构缺陷对性质影响小，易获得各玻璃中的结构缺陷对性质影响小，易获得各向同性、均匀的工作物质；向同性、均匀的工作物质；易于制备，容易得到各种尺寸和形状；易于制备，容易得到各种尺寸和形状；制造周期短，成本低，制备简单；制造周期短，成本低，制备简单；光学质量容易得到保证。光学质量容易得到保证

25、。2022/12/1445（1）激活离子发光机构必须有亚稳态，形成三级或四级能级机构；且亚稳态寿命长，使粒子数易于积累达到反转；（2）有合适的光谱性质；（3）基质玻璃要有良好的透明度，对激光波长的吸收尽可能小，使光激发能量充分被激活离子吸收转化为激光；（4）有良好的光均匀性，避免光线通过玻璃后波面变形产生误差，使阈值升高，效率降低；（5）有良好的化学稳定性，良好的光照稳定性和一定的机械强度，失透性小。4.1.2 激光玻璃需满足的条件激光玻璃需满足的条件2022/12/1446（1）激光玻璃由基质玻璃掺入激活离子形成：）激光玻璃由基质玻璃掺入激活离子形成：激光玻璃的各种物理化学性质主要由基质玻璃

26、决定；激光玻璃的各种物理化学性质主要由基质玻璃决定；激光玻璃的光谱性主要由激活离子决定；同时，基质玻璃激光玻璃的光谱性主要由激活离子决定；同时，基质玻璃通过配位体与激活离子的作用影响激活离子的吸收光谱。通过配位体与激活离子的作用影响激活离子的吸收光谱。（2）激光玻璃的基质玻璃组成一般有硅酸盐、氟）激光玻璃的基质玻璃组成一般有硅酸盐、氟磷酸盐、磷酸盐玻璃等；激光玻璃的激活离子主磷酸盐、磷酸盐玻璃等；激光玻璃的激活离子主要有稀土离子要有稀土离子Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等。等。4.1.3 激光玻璃的组成激光玻璃的组成2022/12/1447分光光度计光源分光光度计光源单色性；

27、单色性；激光定向与激光测距激光定向与激光测距高度定向与相干性；高度定向与相干性；激光核聚变、激光打孔、激光点焊、激光刀等激光核聚变、激光打孔、激光点焊、激光刀等能量密度极高；能量密度极高；激光通讯激光通讯配合光导纤维传输，等等。配合光导纤维传输，等等。4.1.4 激光玻璃的应用举例激光玻璃的应用举例2022/12/14484.1.5 钕激光玻璃钕激光玻璃 钕玻璃钕玻璃是激光玻璃中最重要的玻璃、其辐射光谱与氙灯的辐射光谱非常一致，提高了光泵效率。有实际应用价值的基质玻璃有硅酸盐（钡冕玻璃、钙冕玻璃及高弹性玻璃）、硼酸盐及磷酸盐系统。制造工艺解决三大问题：制造工艺解决三大问题：制造大尺寸棒状玻璃；

28、降低非活性吸收，有害杂质降到10-6质量分数以下；避免结石等杂质，提高光学均匀性。（因此必须改善坩埚、耐火材料及搅拌桨等材质。）2022/12/14494.2 声光玻璃声光玻璃 4.2.1 声光效应声光效应 又称为弹光效应。在介质中有声波（或称又称为弹光效应。在介质中有声波（或称为弹性波）场时，所通过的光波受到声波场的为弹性波）场时，所通过的光波受到声波场的衍射而使其强度、相位及传播方向都被声波场衍射而使其强度、相位及传播方向都被声波场所带行的信号调制的现象。所带行的信号调制的现象。2022/12/1450简单：声波通过介质时，会造成介质的局部压缩和伸长产声波通过介质时，会造成介质的局部压缩和

29、伸长产生弹性应变。该应变随时间和空间作周期变化，使介质出生弹性应变。该应变随时间和空间作周期变化，使介质出现疏密相间的现象，如同光栅。当光通过这一受声波扰动现疏密相间的现象，如同光栅。当光通过这一受声波扰动的介质时，会发生衍射现象，称为声光效应。的介质时，会发生衍射现象，称为声光效应。声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射声光效应就是研究光通过声波扰动的介质时发生散射或衍射的现象。或衍射的现象。衍射光的强度、频率、方向等都随着超声衍射光的强度、频率、方向等都随着超声波场而变化。波场而变化。2022/12/1451声光偏转：声光偏转：其中衍射光偏转角随超声波频率的变化其中衍射光偏转角随超

30、声波频率的变化现象；现象；声光调制声光调制：衍射光强度随超声波功率而变化的现象。：衍射光强度随超声波功率而变化的现象。任何一种对光波和声波都任何一种对光波和声波都“透明透明”（低损耗）（低损耗）的介质，都可产生声光效应。的介质，都可产生声光效应。2022/12/1452 声光器件是利用超声波在具有声光功能的透明声光器件是利用超声波在具有声光功能的透明材料中与激光束的相互作用来达到使激光束产生偏材料中与激光束的相互作用来达到使激光束产生偏转或调制的目的。它具有能随机存取、元件结构简转或调制的目的。它具有能随机存取、元件结构简单、小型化、驱动功率小和成本低等特点。可以应单、小型化、驱动功率小和成本

31、低等特点。可以应用在声光调制器件，声光偏转器件，声光调用在声光调制器件，声光偏转器件，声光调Q开关，开关，可调谐滤光器等。可调谐滤光器等。4.2.2 声光器件声光器件2022/12/1453声光介质性能要求声光介质性能要求l高声光衍射效率l低光波损耗l低声波损耗l热稳定性好2022/12/14542022/12/14554.2.3 声光玻璃（声光偏转玻璃）声光玻璃（声光偏转玻璃）提高声光衍射效率的要求：折射率高；弹光系数大；密度小；声速低有利于提高衍射效率，但不利于高频的应用。玻璃的长程无序的结构，使其具有较高的声光衍射效率；但同时易产生声子黏滞效应，因此声损耗高（与晶体材料相比），频率受限。

32、2022/12/14 常引入钡、铅、碲、镧等，提高玻璃的折射率，从而提高衍射品质。主要品种：主要品种：l 熔石英玻璃（高光学质量、宽透光率大块材料）l 各种重火石玻璃（高折射率，但透过率、均匀性较差）l 硫系玻璃(As2S3)（红外声光玻璃）l 单质半导体玻璃 (碲酸盐玻璃)改进措施改进措施2022/12/14564.3 磁光玻璃磁光玻璃磁光效应：介质在磁场作用下（磁场可以是介质磁光效应：介质在磁场作用下（磁场可以是介质本身固有磁场，也可以是外加感生磁场）产生本身固有磁场，也可以是外加感生磁场）产生光学各向异性变化的物理效应（包括反射率、光学各向异性变化的物理效应（包括反射率、透射率、偏振等）

33、。透射率、偏振等）。包括塞曼效应、磁光法拉第效应、科顿-穆顿效应和磁光克尔效应等。这些效应均起源于物质的磁化，反映了光与物质磁性间的联系。2022/12/1457法拉第效应法拉第效应(透明材料中透明材料中)：一束偏振光通过透明玻璃，当沿通光方向施加磁场H，见右图，透过光波的偏振面就产生磁致偏转。旋转角度和传播距离长庹和通过方向磁场强度成正比。有非互易性(通常做光隔离器)。2022/12/1458(法拉弟旋转玻璃法拉弟旋转玻璃)光隔离器光隔离器 是一种光的单是一种光的单向传输器件，可以向传输器件，可以保障多级光学器件保障多级光学器件免受后级反馈光的免受后级反馈光的干扰。干扰。要求：高透过率、要求

34、：高透过率、大的费尔德常数和稳大的费尔德常数和稳定的工作特性。定的工作特性。2022/12/1459 光振动方向发生偏转的角度与磁感应强度B和光穿越介质的长度l的乘积成正比，即VBl，比例系数V称为费尔德常数。偏转方向取决于介质性质和磁场方向，V 值还与波长和温度有关。2022/12/1460 磁光克尔效应磁光克尔效应(不透明材料中)：一束偏振光在铁磁材表面反射后，产生反射的椭园偏振光，且偏振面旋转一个角度。l极向磁光克尔效应：磁化向量垂直反射面，但与入射面平行；l纵向磁光克尔效应：磁化向量和入射面及反射面同时平行；l横向磁光克尔效应：磁化向量和入射面垂直，但平行于反射面。2022/12/14

35、61 三种情况下，反射光的偏振态以及反射率有不同改变，但三种情况下，反射光的偏振态以及反射率有不同改变，但总是非互易的，即变化不可逆。总是非互易的，即变化不可逆。极向和纵向克尔磁光效应的磁致旋光都正比于磁化强度，一般极向的效应最强，纵向次之，横向则无明显的磁致旋光。磁光克尔效应一般观察表面深度为10-20nm的磁畴，因此，最适合用于磁性薄膜磁性的研究。2022/12/1462可擦写光盘用磁光玻璃可擦写光盘用磁光玻璃 目前市场上出现的可读写光盘CD-RW（CD-ReWritable）主要有磁光盘MOD（Magneto-Optical Disk）和相变光盘PCD（Phase Change Disk

36、）两种。MOD采用磁光技术来记录数据。2022/12/14634.4 变色玻璃变色玻璃 4.4.1 光致变色玻璃 受蓝紫、紫外等短波长光或日光照射后，在可见光区产生光吸收而自动着色，着色深度随光照强弱而变，光照停止，可逆地自动恢复到初始透明态(又称光色玻璃)。许多有机物、无机物都有此光致变色性能，但光色玻璃可以长时间反复变色而无疲劳现象（老化），且机械强度好，化学稳定性好，制备简单，可获得稳定且形状复杂的制品。2022/12/1464原理：由于含有光辐照所致可逆的亚稳态色心。原理：由于含有光辐照所致可逆的亚稳态色心。一定波长激活辐射，玻璃生成色心即产生着色，一定波长激活辐射，玻璃生成色心即产生

37、着色，激活辐射去除，色心破坏即褪色，激活激活辐射去除，色心破坏即褪色，激活-破坏破坏(变暗变暗-复复明明)往复循环而不疲劳。往复循环而不疲劳。l可逆的亚稳态色心与基质玻璃同相的，称同相（均可逆的亚稳态色心与基质玻璃同相的，称同相（均相）光致变色玻璃；相）光致变色玻璃；l可逆的亚稳态色心与基质玻璃不同相的，称异相型可逆的亚稳态色心与基质玻璃不同相的，称异相型光致变色玻璃。光致变色玻璃。2022/12/1465举例：举例：无光照时，含卤化银的玻璃种微观晶体对光的散射极小，玻璃无光照时，含卤化银的玻璃种微观晶体对光的散射极小，玻璃高度透明。高度透明。光照下，卤化银北从紫到蓝很宽的光照所激发，产生反应

38、析出光照下，卤化银北从紫到蓝很宽的光照所激发，产生反应析出游离银原子核卤素原子。众多银原子由于散射而着色。游离银原子核卤素原子。众多银原子由于散射而着色。去除光照后，原子间发生可逆化学作用，形成卤化银，玻璃恢去除光照后，原子间发生可逆化学作用，形成卤化银，玻璃恢复透明。复透明。2022/12/1466l玻璃基础组成：玻璃基础组成：碱金属离子半径增加，吸收带峰值向长波区碱金属离子半径增加，吸收带峰值向长波区域漂移。域漂移。l卤化银种类：卤素原子序数增加，光吸收卤化银种类：卤素原子序数增加，光吸收峰向长波区域移动。峰向长波区域移动。l敏化剂：氧化亚铜（敏化剂：氧化亚铜（Cu2+,Cu1+）影响光色

39、互变性（变暗和复明）的因素：影响光色互变性（变暗和复明）的因素：2022/12/1467光致变色玻璃制作工艺光致变色玻璃制作工艺 基础玻璃基础玻璃(变色组成、敏化剂变色组成、敏化剂)设计设计配合料配合料一定气氛高温熔炼一定气氛高温熔炼毛坯成形毛坯成形退火退火显色处理显色处理(银粒长大银粒长大)按产品要求进行精加工按产品要求进行精加工控制：控制：末处理的光色玻璃(其中银颗粒5m)没有光色效应，热处理后(银颗粒在10-20 m)才有光色效应。热处理温度在转变点与软化点间(Tg-Tf)，高于退火温度20-100需几分钟，较低温度处理需1-1.5小时，然后惯性降温，过高温度会变形或乳浊。2022/12

40、/1468应用应用自动调光玻璃（太阳镜；汽车、飞机建筑物等窗自动调光玻璃（太阳镜；汽车、飞机建筑物等窗玻璃）玻璃）激光器窗口玻璃激光器窗口玻璃航天器窗口玻璃航天器窗口玻璃图像记录、全息记录、光信息存储等图像记录、全息记录、光信息存储等黑板黑板-光调谐笔光调谐笔紫外线计量计紫外线计量计 2022/12/14694.4.2 电致变色玻璃电致变色玻璃定义：电致变色玻璃(Smart Glass)，在电场作用下引起颜色变化的玻璃，这种变化是可逆的、连续可调的。WO3+xA+xe-=AxWO3 (0 x1)A为正离子（H，Li），产物为金属钨青铜，颜色来自不同晶格位置上的钨电子跃迁。2022/12/147

41、0特点及应用特点及应用 在热致变色、光致变色以及电致变色三种激励方式对制冷和照明所需能量来看，电致变色器件节能效果最佳。特点：寿命、记忆效应和循环次数上存在较大优势。可以用于：汽车玻璃调节光强；建筑窗玻璃节能；军用飞行器隐身；等等。2022/12/14712022/12/14724.4.3 热致变色玻璃热致变色玻璃定义：定义：在普通玻璃上涂敷一层热致变色材料（如TiO2、VO、V2O3和VO2）或者玻璃本体经过改性从而具有热致变色功能的玻璃。特点：特点：VO2具有金属-绝缘体相转变特性，VO2由低温的半导体态转变为高温的金属态，对红外光的作用也由低温时的高透过，变为高温时的高阻隔，可见光区的透

42、过率几乎不变，对紫外光区始终保持较高的阻隔。2022/12/142022/12/1473 热致变色玻璃的优点在于可以通过环境温度的改变自动调节玻璃的透过率，不需耗费额外的能源，具有重要的实际应用价值。应用应用2022/12/142022/12/14744.4.4 气致变色玻璃气致变色玻璃 气致变色玻璃系统由电致变色玻璃演变而来，由电致变色材料和氧化还原气体相互作用，实现可逆的颜色变化。其基本结构简单，但总系统制备成本较高，目前市场上尚无应用。2022/12/145.其它特种功能玻璃其它特种功能玻璃 5.1 电磁功能玻璃电磁功能玻璃 功功 能能 玻玻 璃璃 名名 称称 组组 成成 举举 例例 应

43、应 用用 及及 其其 它它电子导电电子导电离子导电离子导电超声波延迟超声波延迟磁性磁性基板基板电磁波吸收与屏电磁波吸收与屏蔽蔽二次电子发射二次电子发射电子导电玻璃电子导电玻璃光电导玻璃光电导玻璃快离子导电玻璃快离子导电玻璃延迟线玻璃延迟线玻璃逆磁性玻璃逆磁性玻璃完全逆磁性完全逆磁性(超导体超导体)玻璃玻璃顺磁性玻璃顺磁性玻璃铁磁性玻璃铁磁性玻璃显示器基板玻璃显示器基板玻璃太阳电池玻璃太阳电池玻璃电磁波吸收玻璃电磁波吸收玻璃耐辐射玻璃耐辐射玻璃二次电子发射玻璃二次电子发射玻璃V2O5-P2O5As-Se-Te-SeAgI-Ag2O-P2O5K2O-PbO-SiO2含含PbO光学玻璃光学玻璃Mo8

44、0P10B10、Tc=9K含稀土金属离子玻璃含稀土金属离子玻璃Co70Fe5Si15B10CdO-Gd2O4-B2O3含含Ceo2的氧化物玻璃的氧化物玻璃PbO-BaO-K2O-SiO2存储开关、图像记录存储开关、图像记录电视摄像管元件电视摄像管元件固体电池固体电池电视机延迟线元件电视机延迟线元件法拉第旋转玻璃法拉第旋转玻璃高温超导线材高温超导线材激光玻璃、磁光玻璃激光玻璃、磁光玻璃磁头磁头平面显示器基板平面显示器基板太阳电池基板太阳电池基板吸收中子射线吸收中子射线微通道板微通道板2022/12/14755.2 热学、力学及机械功能玻璃热学、力学及机械功能玻璃 功 能 玻 璃 名 称 组 成

45、举 例 应 用 及 其 它耐热冲击加热软化隔热性高弹性模量高强高轫性机械加工性低膨胀玻璃低膨胀微晶玻璃封接玻璃中空玻璃、加气玻璃高扬氏模量氧氮玻璃高轫性微晶玻璃高轫性玻璃基复合材料云母微晶玻璃SiO2、SiO2-TiO2LiO2-Al2O3-SiO2PbO-B2O3-SiO2 PbO-ZnO2-B2O3Mg-AL-S-O-N各种微晶玻璃SiC/-锂辉石氟金云母组成(K2O-MgO-Al2O3-SiO2-F)光掩摸基板、天体望远镜、热交换器光掩摸基板、天体望远镜、热交换器电子器件的封接、涂层建筑物窗户、冷柜等复合材料增强纤维机械结构材料发动机部件机械零件、绝缘材料2022/12/14765.3

46、生物及化学功能玻璃生物及化学功能玻璃 功 能 玻 璃 名 称 组 成 举 例 应 用 及 其 它熔融固化耐腐蚀选择腐蚀杀菌光化学反应分离精制催化剂载体生物活性生物相容性疾病治疗降解性放射性废料固化璃 抗碱玻璃 化学切削玻璃 抗菌、杀菌玻璃 自洁玻璃 多孔玻璃 多孔玻璃 人工骨微晶玻璃 牙冠微晶玻璃 磁温治疗玻璃 玻璃缓释肥料玻璃缓释饲料硼硅酸盐含Zr、Ti的无碱玻璃 SiO2 Li2O-CeO2-AgCl-Al2O3Ag2O-Na2O-B2O3-SiO2TiO2涂层SiO2SiO2MgO-CaO-SiO2-P2O5MgO-CaO-SiO2-TiO2-P2O5CaO-Fe2O3-B2O3-SiO

47、2-P2O5含N、P的氧化物玻璃含Cu、Se等氧化物玻璃放射性废料的处理混凝土增强纤维精密器件环境净化无需擦洗的窗玻璃高温反应物分离精制固定化酶人工骨、骨修复牙根补强、人工牙冠癌症的磁温治疗农用肥料牲畜饲料2022/12/14775.4 微晶玻璃 5.4.1 定义定义 将加有成核剂(个别可不加)的特定组成的基础玻璃，在一定温度下热处理后，就变成具有微晶体和玻璃相均匀分布的复合材料，称之为微晶玻璃。微晶玻璃的结构、性能及生产方法同玻璃和陶瓷都有所不向，其性能集中了两者的特点，成为一类独特的材料。它也称为玻璃陶瓷（glass-ceramics）或结晶化玻璃。2022/12/14785.4.2 分类

48、分类按外观分：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、热敏微晶玻璃；按性能：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、地膨胀，零膨胀、低介电损失、强介电性、强磁性、生物相容性等；按基础玻璃组成：硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐；按所用材料：技术微晶玻璃、矿渣微晶玻璃。2022/12/14795.4.3 微晶玻璃的特点 微晶玻璃间普通玻璃的区别，主要是它们只有结晶结构，而同陶瓷树料的区别，主要是它们的结晶结构更细。主要特点如下：l力学性质：机械强度高，弹性模量大，坚硬耐磨；l热学性质：膨胀系数变化范围大，热稳定性好；l化学稳定性好；l光学性能：具

49、有独特的光学性能（感光显影）；l电学性能：介电常数高，介电损失小等等。2022/12/14805.4.4 微晶玻璃的应用2022/12/14815.4.5 微晶玻璃的核化、晶化与成核剂微晶玻璃的核化、晶化与成核剂核化、晶化属非均相核化类型，配合料中的成核剂在熔制核化、晶化属非均相核化类型，配合料中的成核剂在熔制过程中均匀溶解于玻璃中，当温度处在析晶温度区，成核过程中均匀溶解于玻璃中，当温度处在析晶温度区，成核剂可降低晶核生长所需克服的势垒，核化可在较低温度下剂可降低晶核生长所需克服的势垒，核化可在较低温度下进行。进行。核化与晶化在整个玻璃体中均匀进行，新晶相在成核剂上附析，长成细小的晶体。成核

50、剂：成核剂：金属成核剂（Au，Ag，Cu，Pt，Ru，Rh，Pd，离子态，8-10nm胶粒）氧化物成核剂（TiO2，ZrO2，P2O5，阳离子场强大，易分相结晶）2022/12/14825.4.6 微晶玻璃的生产过程微晶玻璃的生产过程配合料制备 玻璃熔融 成型 加工 微晶化处理（分相、晶核形成、晶体生长、二次结晶生长等过程）再加工微晶化处理过程：阶梯温度制度等温温度制度2022/12/1483 6.特种玻璃的制备与加工特种玻璃的制备与加工6.1 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法（类似有：共沉淀、热溶剂法等）（1）溶胶凝胶(Sol-Gel)技术是指金属有机或无机化合物，经溶液、溶胶、凝胶而固化，在溶胶或凝