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玻璃的結構. SiO 2 玻璃. SiO 2 玻璃. 含有修飾子的玻璃結構,中間綠色圓圈為修飾子 ,白色為橋接氧 (bridging oxygen, BO) ,粉紅色為非橋接氧 (non-bridging oxygen, NBO) 。. Li +. O -. O. O. O. O. Li +. Li +. Li +. - O. Si. O -. - O. Si. O -. Li 2 O. = 2. O. Si. O. Si. O. O. Si. O -. +. Li +. Li +. O. O. O. O. O.

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slide1

玻璃的結構

SiO2玻璃

SiO2玻璃

含有修飾子的玻璃結構,中間綠色圓圈為修飾子,白色為橋接氧(bridging oxygen, BO),粉紅色為非橋接氧(non-bridging oxygen, NBO) 。

Li+

O-

O

O

O

O

Li+

Li+

Li+

-O

Si

O-

-O

Si

O-

Li2O

= 2

O

Si

O

Si

O

O

Si

O-

+

Li+

Li+

O

O

O

O

O

slide2

B2O3 glass

單獨B2O3可以形成玻璃,此玻璃的單元結構為[BO3]平面結構。硼原子在中間,接三個橋接氧,稱之為BO3 unit,而BO3 unit互相連接形成三維的玻璃結構。當Li2O修飾子時加入時,結構上的變化與SiO2不同。鋰離子起先不會打斷橋接氧,而是產生四配位的硼。也就是由BO3 unit轉成BO4 unit。我們可將結構變化由下圖表示

O

O

O

O

Li+

B

O

B

B

+ Li2O

2

O

O

O

O

因此玻璃中鋰離子越多,BO4 unit越多。由於BO4 unit帶一負電荷,需要一帶正電的Li+靠近達到電荷平衡。但是此種轉換過程不會一直下去。當Li2O含量超過33.3mol%時,再增加Li2O含量將造成BO4 unit轉換成含一個非橋接氧的BO3 unit,此種轉換將一直進行直到玻璃中所有硼原子皆為含一個非橋接氧的BO3 unit。當Li2O含量繼續增加時,將會產生含兩個非橋接氧的BO3 unit。

Li+

O

O-

B

-O

B

-O

Li+

Li+

O

O

slide3

(=x/(1-x))

The fraction N4 of boron atoms in BO4 configurations in alkali borate glasses plotted against the molar percent of

alkali oxide x from J. O'Keefe’s work (1963).

N4 as a function of R for alkali borate glasses in J. Zhong’s work (1989).

slide4

P2O5玻璃

由於吸水性的問題,純粹的P2O5玻璃是非常不容易製作的。但是理想的P2O5玻璃是由PO4所組成。如同矽氧四面體或BO4 unit,但是四個頂角氧原子中,其中一個為雙鍵,不接任何其他原子(稱為terminal oxygen, TO),其他的三個氧原子則為橋接氧。當加入Li2O修飾子時,會打斷磷氧四面體的橋接氧,而形成非橋氧。由於沒有接其他原子,因此統稱TO,而[PO4]-1之負電荷由靠近之Li+平衡。

Phosphate tetrahedral sites that can exist in phosphateglasses, Qn represents the number of oxygens per PO4 tetrahedron.

2Qn + R2O → 2[Qn-1+R+]

For binary xR2O (or R’O) (1-x)P2O5 glasses,

In the ultraphosphate region (0 ≦x≦0.5), the fraction of f(Q2 )= x/(1-x),

f(Q3)= (1-2x)/(1-x) 。

Between the metaphosphate (x =0.5) and pyrophosphate (x= 0.67), f(Q1 )= (2x-1)/(1-x),

f(Q2)= (2-3x)/(1-x) 。

Between the pyrophosphate (x=0.67) and orthophosphate(x=0.75), f(Q0 )= (3x-2)/(1-x),

f(Q1)= (3-4x)/(1-x) 。

slide6

TeO2玻璃

xNa2O(1-x)TeO2, 0.1 < x < 0.3

Proportion of the species found in the models.

structures found in the sodium tellurite

crystals. m is the number of bridging

oxygen, n is the total number of oxygen

bonded to the tellurium atom.

slide7

The sodium-sodium pair distribution, the sodium

cations themselves form sodium oxide clusters

particularly at the x=0.2 composition.

Crystalline Na2Te4O9 consists a four-membered Te-O ring, that is, a ring of two Te and two O atoms, alternating.

slide8

Structure of Li2O-Ga2O3(or Al2O3)-SiO2glasses

二元玻璃中如有NBO存在,當加入Al2O3、Ga2O3時,如果中間子離子(例如Al+3或Ga+3)的數目少於修飾子離子(例如Li+1)時,中間子在玻璃中之角色為玻璃形成子,也就是會形成四配位的[AlO4]-1或 [GaO4]-1。因此原來電荷平衡NBO的鋰離子,變成用來電荷平衡[AlO4]-1或 [GaO4]-1。玻璃中的NBO就轉化成BO,增加了玻璃的網絡結構。玻璃的性質如機械強度,或玻璃轉換溫度都會增加。

Structure of B2S3 and Na2S-B2S3glasses

這玻璃系統結構與Na2O-B2O3 玻璃一樣,僅將氧原子換成硫原子。整個玻璃製作程序須在氮氣中完成。

Structure of BeF2 and NaF-BeF2glasses

Be為四面體4配位(BeF4)玻璃形成子,Na為玻璃修飾子。玻璃之製作為先將晶體加熱至800 ℃ 1小時,然後將溫度降至600 ℃ 停留2小時,然後將熔融液體倒出,在室溫冷卻,即形成玻璃。整個程序須在氮氣或氬氣中完成。

Structure of ZrF4-FeF3-PbF2-YF3glasses

玻璃形成子為Zr與Fe,Zr以7配位為主 (ZrF7),也有部分為6或8配位。鐵則是八面體6配位(FeF6) ,這些多面體以角或邊(comers and/or edgessharing)連接成3維玻璃結構。Pb與Y則為玻璃修飾子。

slide9

STRUCTURAL MODELING OF LITHIUM BOROSILICATE GLASSES

xLi20-yB203-zSi02 or RLi20-B2O3-KSiO2, where R = x/y, K = z/y.

Assumption of the structural model for lithium borosilicate glasses

(1) x=xsi + xBwhere xsidenotes the fraction of Li20 associated with the silicate units, and xB denotes the fraction of Li20 associated with the borate units. Initially all the lithium ions are associated with tetrahedral boron units but not silicate units. Consequently there exists a critical quantity xc = xc(K), and when x≦xc, xB=x and xsi=0. When x ≧ xc, there exists an even distribution of the remaining part of the lithium ions (x - xc) among the silicate and the borate networks. Since there are 4-coordinated tetrahedral borons and 3-coordinated triangular borons with which lithium ions can be associated, xB=xB3 + xB4.

(2) The fraction of Li20 associated with 3-coordinated borons, xB3/xB, is proportional to xB.

(3) The formation of BO4 units is accomplished by the incorporation of Li+ into the boron-oxygen network and the change of symmetric BO3 units into tetrahedral BO4 units. N4, is therefore proportional to xB4.

slide10

For R < Rc, xsi = 0, xB3 = 0,N4 = R, N3A = 0.

For R > Rc,

xB/y=Rc+(R-Rc)(1/(I+ K), xSi/y = (R-Rc)(K/(I+ K)), (assumption 1)

xB3/xB = βxB, (assumption 2)

and, using xB = xB3 + xB4, xB4 = xB - xB3 = xB - βxB 2

N4 = xB4/y,

N3A = αxB3/y,

where α is the conversion rate from symmetric 3-coordinated boron units (with all oxygens bridged) to asymmetric 3-coordinated boron units (with 1 or 2 NBO, non-bridging oxygens). For the units with 1 NBO, α = 1, that is, one 3-coordinated boron unit will be associated with one alkali ion. For the units with 2 NBO's, α = 0.5 and one 3-coordinated unit will be associated with 2 alkali ions.

slide11

R = Li2O/B2O3, K = SiO2/B2O3.

N4=fraction of BO4 unit

N3A=fraction of asymmetric BO3 unit

Li+

O

O-

B

-O

B

-O

Li+

Li+

O

O

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玻璃的製作方法(高溫融熔法)—實驗室

配料

製作15gNa2O‧SiO2‧B2O3的玻璃

Na2O容易吸水及有危險性,因此以Na2CO3為起始原料。

SiO2穩定且便宜可做起始原料。

B2O3雖穩定但價錢較貴,因此一般以H3BO3為起始原料。

利用下列化學反應計算出各起始原料需多少克:

xR Na2CO3 + 2xH3BO3 + xk SiO2

→x(R Na2O‧kSiO2‧B203) 十 3xH2O十 xRCO2

各物料莫耳重(g)

Na2O=61.98,SiO2=60.08,B2O3=69.62,Na2CO3=105.99,H3BO3=61.83。

因此玻璃莫耳數為x=15/(R61.98+k60.08+69.62)=0.0783(R=1,k=1),

因此起始配料的重量各為:

Na2CO3=0.0783×105.99=8.2943g

SiO2=0.0783×60.08=4.7043g

H3BO3=0.0783×2×61.83=9.6826g

slide13

玻璃製作

將各配料稱好在研缽中混合均勻(最少研磨五分鐘),然後倒人坩鍋中,利用火鉗將坩鍋放入高溫爐內。溫度視玻璃組成而定,一般約為900-1700℃,前頁之玻璃組成用1100℃足可將原料融化。在高溫爐內的時間依玻璃的組成而定,如有易揮發物質,例如玻璃組成含大量CdO、P2O5,則時間可短至幾十分鐘,如融熔的玻璃黏滯係數很大,不易均勻或產生之氣體不易揮發(玻璃中有氣泡)則可放置幾小時,甚至可用攪拌棒攪拌使融熔液體可以均勻。上頁之玻璃2-3小時已足夠。當融熔的原料在高溫爐內時間足夠時,用火鉗將坩鍋從高溫爐內取出,倒置在石墨或金屬板上,然後在空氣中冷卻或放入水中冷卻,或利用其他方法使融熔的原料快速冷卻,如此玻璃可形成。

退火

在快速冷卻中,玻璃體積可能因快速收縮,而產生裂縫或碎裂,為了防止此情形發生,可將融熔的玻璃,倒入預熱(約200-400℃)的模具內,通常為石墨,然後放入200-400℃的爐內,使爐于慢慢冷卻至室溫(可能l℃/min),如此可防止裂痕或碎裂。

slide14

坩鍋的選擇

一般實驗室中常用的坩鍋有白金(m.p.1700℃),金(m.p.1070℃),氧化鋁(99.9% Al2O3 m.p.1800℃),二氧化矽(SiO2,m.p.1700℃) 。白金坩鍋的優點是穩定不易與玻璃原料反應,可以直接置入水中冷卻,玻璃在坩鍋內容易拿出,但價錢昂貴(一個30cc的坩鍋約台幣五萬元)。如玻璃中含多量之P205,鹼金屬氧化物,或其他金屬性強之元素,可能會侵蝕白金坩鍋,因此需注意。

金坩鍋雖然融點較低(1070℃),但P205,鹼金屬氧化物不會侵蝕金坩鍋,因此有時也可使用,但金坩鍋價錢也昂貴。

氧化鋁坩鍋是最常用的坩鍋,雖然較易遭融熔玻璃的侵蝕,影響玻璃的純度,但價錢較便宜(一個30cc的純氧化鋁坩鍋約1000元),因此經常使用。含其他成分(例如氧化鋯)的氧化鋁陶磁坩鍋價錢便宜(一個約300元)也是常用的坩鍋。

二氧化矽坩鍋容易遭融熔玻璃的侵蝕,因而在冷卻中碎裂,因此用的較少。

高溫下玻璃原料的揮發

一般玻璃都在高溫下融熔,但有些原料在高溫下會有揮發的情形,因此最後冷卻的玻璃組成,可能與最初設計的組成會有差別。例如P2O5在300℃以上就開始揮發,CdO在1000℃以上就分解,在1000℃以上Li及B就會開始揮發,因此在製作玻璃時溫度及時間的選取需考慮這些因素。

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The Manufacturing Process for Glass Containers

Feeder

Furnace

Raw Materials & Batch House

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原料選擇:須考量原料化學組成的穩定性,純度,吸水性,熔點,處理成本,價格,供應來源穩定度等因素。

SiO2

矽砂的粒度對玻璃熔融有很大的影響。粒度過大時,需較長的熔融時間。過細時則容易飛散,造成蓄熱室堵塞,易吸濕而結塊。粒度範圍過大,則細粒先行熔融:未熔融的粗粒,易產生浮游物、筋紋及結石等缺陷。

slide18

A12O3

玻璃中含有適量的A12O3存在,將會抑制SiO2系白矽石(Cristobalite)及鱗石英(Tridymite)失透現象(Devitrification)的發生,防止硼矽玻璃產生分相(Phase Separation),增強玻璃的化學耐久性及彈性率和硬度。因此,一般的玻璃都含有1~5%的A1203。而在離子交換強化玻璃,為提高其強化性能,在長石系結晶析出之結晶化玻璃,則含有10%以上的A1203。

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Na2O :Na2O是玻璃工業最重要的熔劑(Flux)。它的來源原料有純鹼(Na2CO3)、芒硝(Na2SO4)、硝石(NaNO3)、硼砂等。其中純鹼為最主要的Na2O原料。

K2O: K2O與Na2O同屬鹼氧成分(R2O),也是玻璃製造常用的熔劑。但是它與Na2O比較,則具有較高的粘度,而且粘度隨溫度變化比較遲緩,因此在作業溫度較長的所謂緩凝玻璃常會添加K2O。在玻璃中Na2O與K2O共同存在時,將會產生混合鹼氧異常作用現象(Mixed Alkali Effect),玻璃的電阻率將呈現顯著的增加,對其他性質如密度、克分子容積,Tg ,熱膨脹性、介電性、化學耐久性、粘度及硬度等,會產生影響。碳酸鉀(K2CO3)是最常用的K2O來源原料。碳酸鉀具強的吸水性,貯存及配料操作應特別注意。

Li2O: Li2O是Li2O -A12O3-SiO2系結晶化玻璃的重要組成成分。同時也是離子交換強化玻璃的主要成分。一般玻璃製造添加0.5%左右的Li2O ,玻璃的粘度將大幅下降,促進玻璃熔融淨化。工業製品碳酸鋰(Li2CO3)雖然是純度高的Li2O來源原料,但是由於價格昂貴,一般玻璃製造使用鱗雲母、葉長石、鋰輝石等(參考氧化鋁來源表格)。

CaO: 玻璃工業稱氧化鈣成分為石灰(Lime),CaO是鈉鈣玻璃(Soda Lime Glass)的重要成分之一,CaO會降低玻璃的高溫粘度、使玻璃的粘度溫度變化加劇,是速凝玻璃的重要成分,適合於自動機器快速成形。此外CaO亦將增加玻璃的電氣絕緣性。石灰石(Lime Stone)及沈澱性碳酸鈣是常用的CaO來源原料。天然石灰石可獲得含CaCO3 97%以上的玻璃用原料。

MgO:鈉鈣玻璃的CaO成分,部份用MgO替代,將使玻璃的高溫粘度降低、防止失透產生、降低熱膨脹係數。MgO是平板玻璃、電氣用玻璃及容器瓶玻璃的主要成分。玻璃的組成分同時含有CaO及MgO時,一般使用白雲石(CaCO3-MgCO3) 為原料。

BaO:氧化鋇是光學玻璃,水晶玻璃及電視影像管玻璃的重要組成成分。碳酸鋇是最常用BaO來源原料。

slide20

PbO:PbO是光學玻璃,電氣用玻璃、水晶玻璃的重要組成分。PbO成分將提高玻璃的折射率及比重,降低玻璃的熱加工溫度,以及放射線遮敞性。一氧化鉛(PbO) 、四氧化三鉛(Pb3O4),及矽酸鉛(Lead Silicate)是PbO的來源原料。

TiO2: 氧化鈦是高折射率玻璃的重要成分。Li2O-A12O3-SiO2系結晶化玻璃的結晶核形成劑。影像管玻璃添加TiO2,可防止玻璃因受X-射線照射而產生著色現象。與氧化鐵共用使用,是茶色的著色劑。工業製品氧化鈦是TiO2的來源原料,氧化鈦有銳鈦礦(Anatase)及紅柱石(Rutile)兩種同素異形體結晶均可使用。

ZnO:玻璃含有ZnO將會降低熱膨脹係數,增強化學耐久性,粘度與溫度問關係此較緩和。因此,化學耐久性玻璃,結晶化玻璃及低軟化點玻璃等,經常添加ZnO。此外,ZnO也是鎘硒紅玻璃的補助發色劑。 工業製品氧化鋅是常用的ZnO來源原料。

(14)氧化錯(Zr02)來源原料

ZrO2:ZrO2是混凝土複合材料用耐鹼性玻璃纖維的主要成分,結晶化玻璃的結晶核形成劑,陶瓷釉及琺瑯釉的乳白劑。矽酸鋯(Zircon , ZrO2-SiO2)是主要的ZrO2來源原料。

碎玻璃(Cullet):玻璃的碎片可以回收當做原料使用,一般玻璃製造廠通常添加原料用量約l/3至3/4的碎玻璃原料。使用碎玻璃可以降低熔融溫度並促進熔融。投入窯爐的原料含有碎玻璃,在投料時玻璃受熱軟化,可將原料粉末附著防止飛散。對新窯爐耐火材料的內壁或新坩堝的內壁,軟化的碎玻璃形成保護層,具有降低受侵蝕的效果。

P2O5:P2O5是PK類光學玻璃(PhosphateCrown)、鈉放電管玻璃、紅外線遮斷用玻璃、紫外線透過玻璃、放射線遮斷用玻璃、半導性玻璃及鋁琺瑯等特殊磷酸鹽玻璃的主要組成分。此外也是結晶化玻璃的重要成分。 動物骨灰,工業製品之磷酸鈣[Ca3(PO4)2]、磷酸鋁(ALPO4)、及磷酸鈉(Na3PO4)等是常用的P2O5來源原料。

B2O3:氧化硼是低膨脹性,化學耐久性,耐熱性等具顯著效果之硼矽玻璃的主要成分。理化玻璃,醫藥用玻璃,玻璃纖維的E-glass ,低溫玻璃等皆含B2O3。玻璃工業用B2O3的原料有硼酸(H3BO3) ,水硼砂(Na2B4O7-10H2O),無水硼砂(Na2B4O7)及硼酸鈣(2CaO-3B2O3-5H2O) 。

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著色劑

著色劑通常以金屬氧化物的形式存在於玻璃中,以各金屬離子特有的顏色使玻璃著色。或者是以金屬或非金屬元素膠狀粒子懸浮在玻璃中,使玻璃對光線產生散射(Scattering)及選擇性吸收而著色。基礎玻璃的組成成分及氧化還原的條件,是影響玻璃著色的主要因素。

鐵離子:氧化鐵存在於玻璃中,呈現Fe+2及Fe+3兩種離子的著色現象。Fe+3呈黃綠色並且可見光透過率較高。Fe+2呈青綠色並且對近紅外線產生吸收作用。

鈷離子:鈷有Co+2及Co+3兩種離子狀態,但是在玻璃熔融高溫狀況下Co+3不安定,通常以Co+2存在於玻璃中呈藍色著色。Co+2藍色是安定的著色,不受氧化還原狀況及玻璃熱熱處理的影響,但是基礎玻璃的化學組成會影響Co+2著色的色調。Co2O3與CoO是常用的著色劑,它的著色力很強,0.01%的添加量就能夠呈顯著的著色,因此通常微量添加使用Co+2著色劑在配料中

鎳離子:鎳離子(Ni+2)著色與Co+2著色相同,不受氧化還原狀態之影響,但是基礎玻璃的化學組成,將影響玻璃的色調,鈉玻璃呈茶紫色,鉀玻璃呈藍紫色。鐵鈷鎳離子共同存時,呈中性顏色之灰色玻璃。氧化鎳(Ni203、NiO)是常用的著色劑 。

鉻離子:鉻在玻璃中以Cr+3及Cr+6兩種狀態存在,按照玻璃熔融時氧化還原狀態之不同, Cr+3/Cr+6以不同比率存在。兩者都呈綠色著色現象,但是Cr+6對450μm以下的紫外光有吸收遮斷的作用。重鉻酸鉀(K2Cr2O7)或氧化鉻(Cr2O3)為常用的原料。

錳離子:錳在玻璃中以Mn+3及Mn+2兩種離子狀態存在。Mn+3呈紫色,Mn+2呈淡淡的黃褐色,氧化還原作用對Mn+3著色非常敏感。通常使用二氧化錳(MnO2),或高錳酸鉀(KMnO4)等高氧化還原價位的錳化合物為原料,而且與硝酸鈉(NaNO3)或硝酸鉀(KNO3)等氧化劑共同使用。

銅離子:銅在玻璃中以Cu+2,Cu+或Cu0三種狀態存在,Cu+2呈藍色,Cu+無色,Cu0膠體狀態呈銅紅色。通常玻璃熔融成形後,經熱處理使之發色。

slide22

釩離子:釩離子在氧化狀況下(V+5)呈黃綠色,在還原狀況下(V+4)呈翠綠色,對紫外線具吸收遮斷作用。通常使用五氧化釩(V2O5)為原料。釩離子:釩離子在氧化狀況下(V+5)呈黃綠色,在還原狀況下(V+4)呈翠綠色,對紫外線具吸收遮斷作用。通常使用五氧化釩(V2O5)為原料。

鈦離子:鈦在玻璃中是以Ti+4狀態存在。Ti+4離子本身對玻璃不產生著色作用。但是如果夾雜有Fe+3,Mn+3,Cu+2等不純物時,將會呈顯著色現象。Ti+4+Fe+3呈褐色,Ti+4+Mn+3呈琥珀色(Amber),Ti+4+Cu+2呈綠色。通常使用氧化鈇(TiO2)為原料。

硫化鎘:玻璃中含硫化鎘在熔融成形後,按一般方武冷卻為無色玻璃。如果再予熱處理將產生CdS微小晶粒呈鮮明的黃色。

元素硒:含硒的玻璃在弱還原狀況下熔融,以Se狀態存在呈粉紅色。強還原狀況下Se容易揮發。強氧化狀況下以Se+2存在則黑色。硒與硫化鎘共同使用,按照兩者的添加比率,玻璃是桔紅、紅及深紅顏色。

金:使用氯化金(AuCl3)為原料,添加SnO2或與Sb2O3共同使用,玻璃熔融成形後為無色,再予熱處理時,Au+3還原析出膠狀Au顆粒呈紅色。

銀:使用硝酸銀(AgNO3)為原料,Ag+在玻璃中經熱處理,將析出膠狀Ag顆粒,而呈淡黃色

稀土元:稀土元素中對玻璃產生著色作用的包括:鈽(Ce)、鐠(Pr)、銨(Nd)、釤(Sm)、銪(Eu)及鉺(Er)。鈽是紫外線遮斷用眼鏡或濾鏡(Filter)之添加劑。映像管玻璃等添加Ce+4,可防止玻璃因x射線或Y射線照射而變色。鐠在玻璃中呈綠色,在水晶玻璃與銨共同使用呈亮麗的色調。。玻璃中含有Eu+2時,具光變色性(Photochromic) 。氧化鉺(Er203)是粉紅色著色劑璃著色,常用於水晶玻。

脫色劑:無色透明玻璃製造時,為了降低鐵含量對玻璃著色影響,通常加以脫色處理。根據脫色原理,含鐵化物的脫色可分為化學脫色與物理脫色兩種方法。通常是兩種脫色方法同時使用。化學脫色法是添加氧化劑如硝酸鹽、As2O5,Sb2O5及CeO2等,使鐵在玻璃中以Fe+3存在,降低鐵的著色能力,同時增加玻璃對可見光線的透過率,使得玻璃在肉眼的感覺上比較淡色而且透明。 物理脫色法是添加硒、氧化錳、氧化鎳、氧化鈷及稀土化合物等,利用物理學上補色消色原理,將鐵分著色加以消色。

slide23

光纖的製作過程包括下列步驟:

1.製作预成形玻璃模具,2.從預成形模具中拉出細絲,3.測試細絲。

氣相沉積系統

預成形模具

燃燒器

這種精心配製的混合物能管理各種物理和光學屬性(折射率、延展係數、熔點等)。然後在特製車床中將蒸氣導入合成矽或石英管 (覆層)內部。機床開始旋轉後,將有一支噴槍在管外部上下移動。噴槍產生的高熱將導致兩個變化:矽和鍺與氧發生反應,生成二氧化矽和二氧化鍺。二氧化矽和二氧化鍺在管內堆積熔合,形成玻璃。機床不斷旋轉,使得塗層均勻,模具平滑。通過在氣體傳輸系統(閥組、管道、封口)中使用抗腐蝕塑料,並精確控制混合物的流速和成分,可以保持玻璃的純度。預成形模具的製作過程是高度自動化的,製作時間需數小時。待預成形模具冷卻後,還要檢查質量控制(折射率)。

車床

slide24

將預成形模具下部放入石墨爐(攝氏1900到2200度),從末端開始熔化,熔化的液珠因重力落下。落下後,即冷卻並形成細絲。操作人員將這些細絲穿過一系列塗層容器(緩衝塗層)和紫外固化爐,最後固定到牽引機控制的轉軸上。牽引機從加熱的預成形模具中緩緩拉出細絲,通過激光測微計測量細絲的直徑,並將測量信息反饋給牽引機,從而來精確地控制此過程。拉絲速度為10到20米/秒,成品會被纏繞在線軸上。線軸通常能承載長度超過2.2公里的光纖。將預成形模具下部放入石墨爐(攝氏1900到2200度),從末端開始熔化,熔化的液珠因重力落下。落下後,即冷卻並形成細絲。操作人員將這些細絲穿過一系列塗層容器(緩衝塗層)和紫外固化爐,最後固定到牽引機控制的轉軸上。牽引機從加熱的預成形模具中緩緩拉出細絲,通過激光測微計測量細絲的直徑,並將測量信息反饋給牽引機,從而來精確地控制此過程。拉絲速度為10到20米/秒,成品會被纏繞在線軸上。線軸通常能承載長度超過2.2公里的光纖。

預成形模具進料器

預成形模具

石墨爐

雷射測微器

塗層容器1

紫外固化爐1

塗層容器2

紫外固化爐2

牽引機

http:E5%85%89%E7%BA%96%E8%A3%BD%E4%BD%9C&source=video&cd=4&ved=0CEkQtwIwAw&url=http%3A%2F%2Fv.youku.com%2Fv_show%2Fid_XMzI2NjIxMDgw.html&ei=rChQT-j_CKOhmQWCpfCTCg&usg=AFQjCNGKeyek2Kw6UTiJ9MYJz1PFQpOdAQ//www.google.com.tw/url?sa=t&rct=j&q=%

slide27

金屬玻璃

金屬玻璃,是在液態熔融金屬的狀態下,急速冷卻(冷卻速度為 106 ℃/s)而得到的非晶態金屬或是合金能夠廣闊應用在各種領域的產品。

‧高強度、高硬度,同時具有高韌性

金屬玻璃具有極佳的抗拉強度及抗彎延展性;且其強度及硬度都大於一般金屬,甚至與最好的冷拉鋼絲相當。

‧高耐蝕性、耐磨損、抗菌功能

因為在金屬玻璃的結構上,沒有一般金屬的位錯或是雜質偏折等缺陷,不會發生局部腐蝕,而是會形成均勻的鈍化膜。另外加上其抗菌功能,可以用來製造高附加價值的手術醫療器械。

‧高軟磁性、高導磁率、零磁感、低鐵損

具有優良的磁學特性、可以應用在儀表測量、功率變壓器或是磁芯材料中,甚至因為具有良好的導電性及抗腐蝕性,可以應用在燃料電池的金屬電極板元件,開發出品質好且壽命長的燃料電池,對於綠能產業的發展是一大進步。

‧生產成本低、優良的加工特性

大部分的金屬玻璃是由液態急速冷凍而成,其製作流程簡單、原料及生產的成本低。另外,其優良二次加工特性,使金屬玻璃可以廣泛應用於製造多種產品上。例如:高爾夫球頭、光學連接器、手術醫療器材等,是各國近年來積極研究開發的新型材料之一。

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金屬玻璃機械性質

Tensile=Young’s modulus ×strain

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金屬玻璃製作方法

高壓壓鑄法

雙輪連續機冷法

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薄膜金屬玻璃鍍在不銹鋼塊上面

塊狀金屬玻璃

金屬玻璃柱(左)經過加熱鑄模(中)與加工(右)成為圓環狀

金屬玻璃合金應用於手錶鏡面

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Metallic Glass For Bone Surgery(Sep. 28, 2009)

It is possible that broken bones will in the near future be fixed using metallic glass.

When bones break, surgeons need screws and metal plates to fix the broken bones in place. These supports are usually made of stainless steel or titanium. Once the bones have healed, the metal parts have to be removed from the body via further surgery. In order to reduce the burden on patients, materials re-searchers have taken up the task of producing implants from bioabsorbable metals. These implants should stabilize the bones only for as long as they need to heal. The metal dissolves in the body over time, rendering removal surgery unnecessary. Implants made of magnesium-based alloys are proving particularly promising. Magnesium is mechanically stable and degrades completely by releasing ions which are tolerated by the body. However, all magnesium alloys have one major drawback: when they dissolve they produce hydrogen (H2), which can be harmful to the body. Around the magnesium implants gas bubbles develop which hinder bone growth and thus the healing process, and potentially cause infection.

No side effects thanks to more zinc

An innovative Mg-Zn-Ca alloy in the form of a metallic glass which is biocompatible and shows significantly more favorable degradation behavior. The researchers can add much more Zn to the molten Mg than is possible with conventional alloys. A crystalline Mg-Zn alloy can contain a maximum of 2.4% Zn atoms. The Mg-Zn-Ca glass can be produced in a thickness of up to 5 mm. The major advantage of a high percentage of zinc is that it changes the corrosion behavior of the Mg fundamentally. In fact, clinical tests with small platelets of the new Mg-Zn-Ca alloy showed no hydrogen evolution! Thus this new alloy, in the form of a metallic glass, has considerable potential as a non-harmful bone implant material.

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BaF2-ThF4-ZnF2-YbF3 glassesJournal of Non-Crystalline Solids 50 (1982) 61-69

Yb:Ytterbium鐿, Th: Thorium釷

The starting materials are the oxides ZnO, ThO2, Yb203 which are fluorinated

by the acid ammonium fluoride NH4F-HF. A first treatment at 300°C in a platinum crucible using twice the theoretical amount of ammonium fluoride converts the oxides into fluorides. The excess is eliminated at 800°C; at this temperature, the fluorides are melted and then poured on a brass mould which

is promptly covered by a piece of metal to achieve the quenching. By this process, flat thin plates of transparent glasses can be obtained.

○ glass

● partially crystallized

+ crystal

Phase diagram in the

ThF4-ZnF2-YbF3 system

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Fluoride glasses in the quaternary diagram BaF2-ThF4-ZnF2-YbF3

增加BaF2含量可擴大玻璃形成區,增加BaF2至20mol%時玻璃形成區最大