新型功能玻璃_沈超

新型功能玻璃

沈 超

(天津塘沽城市建设投资公司　天津市　300450)

王　德　宪

(秦皇岛玻璃工业研究设计院　秦皇岛市　066004)

玻璃在日常生活中随处可见,从建筑玻璃、器皿玻璃,到玻璃镜片等可以说与人们的生活息息相关,从不同的方面满足生活和生产的需要。随着科学技术的发展和社会的进步,人们对玻璃的要求越来越趋于多样化、功能化。所谓功能化是指通过改变其化学成分或采取适当的工艺和加工方法,将一定的物理性质、化学性质、生物学性质等赋予玻璃体,使其获得所需的功能。可以把功能化与玻璃体之间的关系比作人的神经系统与骨骼,功能化的玻璃作为一个有机整体,能够更好地服务于人类。近些年来,功能玻璃的研究一直非常活跃,从玻璃的化学成分上说,除氧化物玻璃外,还有卤化物玻璃,硫属化物玻璃,金属玻璃等;从形状上说,有块(片)状玻璃,纤维玻璃,镀膜玻璃,微粉末等多种根据用途而制出的功能玻璃。加工或制造方法,除传统的熔融—冷却法和设计新成分外,还有镀膜法,结晶法,离子交换法,溶胶—凝胶法等。如此众多的功能玻璃按其功能或主要使用性能来分类的话,可大致分为七类。这就是,光功能玻璃,电功能玻璃,磁功能玻璃,机械功能玻璃,生物功能玻璃,化学功能玻璃,热功能玻璃。当然这种分类方法并非严格,因为一种玻璃可以有几种功能,只不过是为了叙述方便罢了。

1　光功能玻璃

光功能玻璃在所有功能玻璃中占的比例最大。其中包括光导玻璃纤维、激光玻璃、光致变色玻璃、光的选择透过和反射玻璃、非线性光学玻璃等。

光导纤维是人们非常熟悉的。由于它能同时传递多个信号,使通讯事业得到了飞速发展。但光在玻璃中传输会有光损失。所以,如果长距离通讯,由于传输损耗的原因,应在途中设中继站,将信号放大,又一次涉及到光信号与电信号之间的转换,这样做是很不经济的。为避免长距离传输中的中断站问题,人们正在研究开发传输损耗低的卤化物玻璃,以期实现万公里无中继超远距离通讯。

光导纤维在测量仪表中的应用是非通讯领域中的最大应用领域之一。磁敏光导纤维可用作电流、磁场传感器;力敏光导纤维可用于压力、声传感器;热敏光导纤维可用于温度传感器;超高双折射光导纤维可用于干涉型光纤传感器。

光功能玻璃在光学仪器中起着核心作用。可做成各种特殊要求的透镜、棱镜、反射镜等,以扩展光学仪器的用途或改善其性能。用离子交换法和光刻蚀技术,可以做出具有折射率梯度分布的平面微透镜,这种透镜在复印机中作图象转换,可使复印机体积大幅度缩小。日本大阪松浪硝子公司在磷酸盐玻璃中添加稀土类金属,开发出可遮挡近红外线的玻璃,供影象照相机和自动焦点照相机使用。

激光玻璃广泛用于工业,自然科学,医学,军事等方面。在工业领域用于激光打孔、焊接、切割、测距等;自然科学领域用于喇曼光谱,布里渊散射的研究等;医学领域用于治疗皮肤病,切除肿瘤等;军事领域用于制导、导航等。

非线性光学玻璃是近几年新出现的光功能玻

璃。现在社会正由电子时代向光量子时代转化,正如电子时代处理电信号要用到电子元件那样,在光量子时代对光信号的处理(包括波长变换,信号放大,光学倍频,光记录,光开关等)也要用到光学元件,非线性光学玻璃可以充当这种元件。光具有超高速,超并列的特点,在传输信号的容量和质量方面优于电信号。电子计算机利用配线将逻辑门间连接起来,运用程序指定逻辑门间如何组合,使电流流过,进行运算。光学计算机逻辑门间没有物理配线,利用棱镜、透镜等进行光连接,从而驱动逻辑门的选择进行运算。随着信息科学的发展及光学计算机的研制,非线性光学玻璃必将具有光明的前景。

2　电功能玻璃

电功能玻璃一般指快离子导体玻璃、电子导体玻璃(离子、电子)混合导体玻璃(如电致变色玻璃)、延迟线玻璃等。

普通玻璃是不导电的,常温下的电导率极低。但玻璃体中含有银、铜、钛、锂、钠等一价离子时,电导率却高出许多倍。这种玻璃叫离子导体玻璃。这些一价离子在电位梯度的作用下,通过间隙或空位发生迁移,从而达到导电的目的。当然,离子除带有电荷外,还具有一定的大小和质量,在固体中移动困难。因此,必须要求固体中存在有利于离子移动的特殊结构,并且空位的数目要大于导电离子的数目。离子不是固定在某一位置上,而是统计地分布在固体中。非晶态的玻璃恰好能满足上述要求。快离子导体玻璃可做成离子选择性电极,超薄型全固体二次电池,各种敏感传感器等。

硫属化物玻璃属于电子导体玻璃。它具有半导体性质、红外透过性、低熔点等特性,可用于制造开关及存储元件、红外光纤、低熔封材料等。

电致变色玻璃也是玻璃家族的一个新成员。在复层玻璃表面镀上透明导电膜电极,膜电极间涂上作为发色层的变价金属氧化物,其颜色随价态不同而变化。通过含有电子和离子的电解质层加上电压时,金属的价态会发生变化,从而导致玻璃的颜色变化。这种玻璃用于汽车或建筑物上,会发挥天然空调的功能,同时也会使汽车或建筑物增加美感。最近,德国皮尔金顿公司研制出一种建筑用电致变色玻璃,玻璃表面镀了一层氧化钨,通过电压控制,可使玻璃产生由完全透明到深蓝色等各种颜色变化。室外阳光强时,玻璃颜色变深,阳光弱时玻璃颜色随之变透明,改善室内光线。

延迟线玻璃可使电信号延迟一定时间。即将电信号转变为超声波后通过玻璃,可使信号延迟数十微秒。因此,可用于电视机、录象机的画面处理。这种玻璃一般为铅硅酸盐玻璃。

3　磁功能玻璃

法拉第旋转玻璃(磁光玻璃)、计算机磁盘玻璃等属磁功能玻璃。

将玻璃放入磁场中,光通过玻璃时,光的偏振面会发生正向或反向旋转,这种玻璃叫法拉第旋转玻璃。这种玻璃一般含有铊、铅、碲、铽等。它可用来做偏光或检偏光元件、光开关、光隔离器等。

玻璃作为计算机磁盘的基板与铝合金相比,其中间层、磁性层、保护层等基本一样。但铝合金的硬度较小,为增加其硬度,需在表面涂以无电解镀层。而玻璃由于其硬度足够,无须外加类似涂层,也不会产生塑性形变。因此,玻璃作为磁记录盘的基板材料优于其他软性材料。但玻璃板一定要做到表面光滑,不能有疙瘩缺陷,以免与磁头相碰。玻璃基板要平坦,不能弯曲变形,以免磁头与磁盘表面相撞。基板表面也不得有坑、槽、划伤之类的缺陷。只有这样才能保证磁头与磁盘间的间隙(磁头的上浮高度)足够小,保证磁记录的质量和效率。随着计算机事业的发展和普及,玻璃磁盘会有很好的市场前景。

4　机械功能玻璃(力学功能玻璃)

高硬度、高强度、高韧性玻璃等均属于机械功能玻璃。

玻璃在使用过程中,难免要与其它物质发生接