特种玻璃ppt课件.ppt
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1、2022/12/9,1,1.玻璃,1.1 什么是玻璃? 玻璃是熔融、冷却、固化后的得到的非结晶无机物。是一种具有无规则结构的非晶态固体。 是来不及结晶的“液体”。,2022/12/9,2,无规则网络学说 微晶学说,玻璃结构,扎哈里亚森(Zachariasen)(1932年)和列别捷夫(.)(1921年),2022/12/9,3,1.2 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 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。 辅助原料:澄清剂、着色剂、脱色剂、乳浊剂、加速剂等等。,2022/12/9,4,1.4
2、加工工艺 原料加工熔炼成型退火 压制法:玻璃毛坯、小型园盒、园片; 吹制法:瓶、罐、酒具; 拉制法:玻璃丝、管、棒、小薄片; 压延法:压花平板玻璃、摊薄玻璃; 浇注法:不规则玻璃毛坯、艺术玻璃; 烧结法:玻璃粉压坯烧结、微晶玻璃; 浮法:平板玻璃生产。,2022/12/9,5,玻璃的生产,2022/12/9,6,玻璃的生产,2022/12/9,7,玻璃的生产,2022/12/9,8,2. 特种玻璃,2.1 主要特点:(1)成分变化:a.从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
3、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。,2022/12/9,9,(2)形状变化: 从传统的板、块状发展至薄膜、纤维,即从三维发展到二维、一维。还有纳米空心和实心玻璃微球等零维制品。,3M公司玻璃空心微珠,2022/12/9,10,(3)玻璃态变化: 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。 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。,2022/12/9,11,(4)功能变化: 从单纯的透光、包装材料发展成具有光、电、磁
4、和声等特性材料;玻璃本身也从单纯材料发展为元器件;生物玻璃甚至可以修补替代有机体。,2022/12/9,12,(5)制备工艺变化: 高温熔融法传统玻璃采用坩埚窑、池窑制备,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。还产生了气相合成、真空蒸发、溅射、CVD、MOCVD等气相沉积、双辊急冷、低温合成、高能射线辐照合成,溶液-凝胶等制备方法。,2022/12/9,13,2.2 特种玻璃的主要类型,光功能玻璃电功能玻璃磁功能玻机械功能玻璃,生物功能玻璃化学功能玻璃热功能玻璃,2022/12/9,14,3. 光学玻璃,基本特性要求:(1)特定光学常数和同批一致性(2)高度透明性(
5、3)高度均匀性(4)一定的化学稳定性(5)一定的耐热性质及机械性质,2022/12/9,15,光学玻璃分类,无色光学玻璃颜色滤光玻璃(滤色玻璃)原子技术玻璃(耐辐照玻璃及防护玻璃)红外光学玻璃,2022/12/9,16,3.1 无色光学玻璃,3.1.1基本概况钠钙硅酸盐玻璃 轻冕玻璃(钡、锌、硼、磷玻璃) 重冕玻璃 、火石玻璃(铅、铜、铋、镧) 冕牌玻璃(K)一般作凸透镜,火石玻璃(F)作凹透镜。依据折射率划分符号:ZK,QK,TK,BaK,ZBaF.,2022/12/9,17,3.1.2 几种常用的无色光学玻璃,2022/12/9,18,3.1.3 基本要求,(1)具有特定光学常数,一致性好
6、;(2)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;(4)原料要求高,特别控制含铁量Fe2O30.005;(5)采用单坩埚间歇法和小池炉连续法,精炼用白金坩埚;(6)采用精密退火,退火速率最低0.2-1h。,2022/12/9,19,2022/12/9,20,3.1.4 评价指标,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:条纹状包裹物。 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:折射率随波长改变的特性。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
7、部折射率不一样,材质表征称为应力双折射, 换算成单位间距光程差(nm/cm)。,2022/12/9,21,3.2 颜色滤光玻璃(滤色玻璃),3.2.1 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。,2022/12/9,22,2022/12/9,23,3.2.2 分类,(1)按光谱性能分:截止型颜色滤光玻璃选择吸收性滤光玻璃中性暗型滤光玻璃(在400一700 nm光谱范围内有较均匀吸收的滤光玻璃),2022/12
8、/9,24,(2)按着色剂分:,离子着色(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co 、Ni、Ce、Pr、Nd等。)胶体着色( Cu、Ag、Au、Pt;非金属元素S、Se、Te;化合物CdS、FeS、Sb2S2等。 )半导体着色(CdS和CdSe混合着色),2022/12/9,25,3.3 原子技术玻璃,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,而较高剂量的高能辐射还能够使玻璃变成完全不透明 。,2022/12/9,26,机理: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F型色心(正电荷又可被负空位捕获,形成V型色心)。因为被色心束缚的电子或空位都
9、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色。由于玻璃中存在着各种各样的缺陷,因此经辐照后,就会形成各类色心。,2022/12/9,27,3.3.1 耐辐射光学玻璃,(1)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)。,2022/12/9,28,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
10、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)耐辐照机理(以CeO2为例):,2022/12/9,29,3.3.2 防护玻璃,(1)定义: 具有能够防止X射线、射线、射线对人体产生危害的特殊玻璃材料。 (2)种类: 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。,2022/12/9,30,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,同时产生激发态和自由态电子,使射入的射线等的能量降低不
11、能透过,起到防护作用。,2022/12/9,31,2022/12/9,32,2022/12/9,33,3.4 红外光学玻璃,3.4.1 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、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。,2022/12/9,34,3.4.2 玻璃类红外材料的特点,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;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;大多数玻璃对大气
12、作用稳定。,2022/12/9,35,3.4.3 红外光学玻璃,(1)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。,2022/12/9,36,2022/12/9,37,(2)几种常见红外光学玻璃,a. 光学石英玻璃b. 铝酸钙玻璃c. 钡钛硅酸盐玻璃d. 高硅氧玻璃e. 碲酸盐玻璃f. 硫属化物玻璃(非氧化物),2022/12/9,38,3.4
13、.4 石英光学玻璃,2022/12/9,39,4. 其 他 光 功 能 玻 璃,2022/12/9,40,4.1 激光玻璃,2022/12/9,41,普通灯光与激光的比较,2022/12/9,42,原理,碳原子示意图,2022/12/9,43,原子内电子的跃迁过程,2022/12/9,44,红宝石激光的示意图,2022/12/9,45,粒子数反转的状态,2022/12/9,46,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 质的;中能量激光:例如在课堂上用的激光指示器;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 500 mW。用于热核聚变实
14、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1014 W!可产生达一亿度的高温,引发微粒状的氘-氚燃料进行热核聚变。,激光器分类,2022/12/9,47,4.1.1 激光玻璃特点(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;制造周期短,成本低,制备简单;光学质量容易得到保证。,2022/12/9,48,(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
15、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,2022/12/9,49,(1)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Nd3
16、+、Yb3+、Er3+、 Tm3+ 、Ho3+等。,4.1.3 激光玻璃的组成,2022/12/9,50,分光光度计光源单色性;激光定向与激光测距高度定向与相干性;激光核聚变、激光打孔、激光点焊、激光刀等能量密度极高;激光通讯配合光导纤维传输,等等。,4.1.4 激光玻璃的应用举例,2022/12/9,51,4.1.5 钕激光玻璃,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: 制造大尺寸棒状玻璃;降低非活性吸收,有害杂质降到10-6质量分数以下
17、;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。),2022/12/9,52,4.2 声光玻璃,4.2.1 声光效应 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。,2022/12/9,53,简单: 声波通过介质时,会造成介质的局部压缩和伸长产生弹性应变。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。 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。衍射光的强度、频率、方向等都随
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