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《 无机非金属材料实验 》 玻璃制备与加工方法

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《 无机非金属材料实验 》 玻璃制备与加工方法. 赵 修 建. 提 纲. 引言 玻璃的一般制备方法-熔融冷却法 特种制备方法 高速冷却法 气相合成法 溶胶凝胶法 气氛保护法 特种加工处理方法 结语. 一、引言. 玻璃的定义: 一般定义:经熔融冷却基本上不结晶的无机固体物质 科学定义:具有玻璃转变现象的非晶态物质 原子排列具有无规则的网络结构,在 x 射线衍射中表现为非晶态 介稳状态 具有玻璃转变现象

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Presentation Transcript
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提 纲
  • 引言
  • 玻璃的一般制备方法-熔融冷却法
  • 特种制备方法
    • 高速冷却法
    • 气相合成法
    • 溶胶凝胶法
    • 气氛保护法
  • 特种加工处理方法
  • 结语
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一、引言

玻璃的定义:

一般定义:经熔融冷却基本上不结晶的无机固体物质

科学定义:具有玻璃转变现象的非晶态物质

  • 原子排列具有无规则的网络结构,在x射线衍射中表现为非晶态

介稳状态

  • 具有玻璃转变现象

无固定熔点

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玻璃与特种玻璃:
  • 普通玻璃:平板玻璃、夹层玻璃、热反射玻璃、热吸收玻璃、建材微晶玻璃、中空玻璃、汽车玻璃、钢化玻璃、眼镜玻璃、瓶罐玻璃、热水瓶玻璃、餐具玻璃、微晶玻璃餐具、耐热玻璃餐具、光学玻璃、玻璃纤维、增强用玻璃纤维、电子玻璃(电真空玻璃)、显象管玻璃、封接玻璃、光掩模玻璃、理化玻璃、医用玻璃、温度计玻璃、颜色玻璃、发泡玻璃、装饰玻璃和工艺玻璃等。
  • 特种玻璃:通讯用玻璃光纤、激光玻璃、激光核聚变玻璃、电子器件用玻璃、法拉第旋转玻璃、石英玻璃、放射性核废料固化玻璃、云母微晶玻璃、多孔玻璃、生物玻璃、生化玻璃、氧氮玻璃、凝胶玻璃、水合玻璃、偏振玻璃、镀膜玻璃、天然玻璃(黑曜石)等。
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二、玻璃的一般制备方法——熔化冷却法
  • “熔化”也称 “熔炼”,是钢、铁、铝等金属材料;玻璃、铸石、熔铸耐火材料、人工晶体等无机非金属材料材料的主要工艺过程。
  • 在实验室条件下,玻璃熔化实验的过程(玻璃的主要制备工艺)是:
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玻璃熔制的五个阶段

① 硅酸盐形成:主要的固相反应结束,配合料变成由硅酸盐和二氧化硅组成的不透明烧结物。800~900℃。

② 玻璃的形成:硅酸盐烧结物和二氧化硅熔融、溶解、扩散,使不透明的半熔融烧结物变为透明的玻璃液,不再含有未反应的配合料颗粒。1200 ~1400℃。

③ 澄清:排除可见气泡。 1200 ~1400℃。玻璃液粘度 10 Pa · S 。

④ 玻璃液的均化:消除条纹和其他不均体,使玻璃各部分在化学组成上达到预期的均匀一致。

⑤ 玻璃液的冷却:让玻璃液的粘度增高至成形所需的范围。通常温度降低200 ~300℃。

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1200~1400oC

800~900oC

室温

300~500oC

1200~1400oC

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浮法玻璃的制造过程示意图

锡槽

气氛保护

熔窑

重油燃烧

熔融玻璃

玻璃带

牵引辊

熔融锡

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三、特种制备方法

1、高速冷却法——难以形成玻璃的物质的玻璃化

与传统的玻璃制造方法一样,该方法首先必须将固体原料熔化,再将熔体高速冷却,防止析晶,使玻璃形成范围扩大,获得一些传统方法难以获得的具有特殊性能的新组成玻璃。

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2、气相法

以气体作原料,或将固体原料气化成气体,再加热(或其它外场)发生化学反应而制备玻璃或非晶态物质的方法。主要有化学气相沉积法和物理气相沉积法

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物理气相沉积法(PVD)

(真空)蒸发沉积法

离子镀

溅射法

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3、溶胶凝胶法

该方法是由溶液出发,经过化学处理,使溶液中析出微细的颗粒,即所谓溶胶化;再将其浓缩,或经过调节pH值使溶胶缩聚形成凝胶;最后加热凝胶,使凝胶中的有机物和水分挥发,烧结后获得玻璃。该方法被广泛用于特种玻璃、功能涂层或薄膜等的制备。

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旋涂法

浸渍提拉法

泻流涂覆法

喷涂法

层流涂覆法

各种溶胶凝胶镀膜方法

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4、气氛调节熔融法

在卤化物玻璃的制备中,为了保证卤化物玻璃所特有的光学或其它性能,要制备无氧离子和OH根离子的玻璃,必须在氩气、氮气或氨气等气氛中熔制玻璃。

在硫系物玻璃的制造中,通常采用将原料放在石英玻璃管内、真空封管后、再加热熔融制备成玻璃的方法,也可采用从原料处理到熔融精炼全部在氮气气氛中进行的所谓连续熔制法。

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四、通过加工处理制备新的玻璃

通过对玻璃进行掺杂、离子交换、分相与晶化、表面镀膜、极化处理、结构调控、机械拉伸、离子注入以及复合化等。

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电场熔盐-离子交换

电场熔盐-离子交换工艺原理图

电场熔盐-离子交换装置示意图

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离子交换制备的光波导折射率分布

(a) 折射率分布计算值 (b)实测模式强度分布

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利用紫外光照射制作光纤布拉格光栅

紫外线

位相掩模

光纤

通过位相掩模,照射紫外光,在光纤中形成折射率的高与低的周期变化的布拉格光栅

包层中传输

逸出光纤

入射光

透过光

反射光

光纤布拉格光栅中光的传输

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飞秒脉冲激光的照射使玻璃局部发生晶化

飞秒脉冲激光

局部晶化点

含Ag的玻璃

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采用飞秒脉冲激光制备三维光波导

飞秒脉冲激光

移动

聚焦点

玻璃

聚焦点部分的折射率增大

光波导

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极化效果验证

利用极化制备二阶非线性光学玻璃

绝缘体

电极

电极

热极化

光纤

光极化

193nm紫外光

样品

电极

1.5mm光

1.5mm光

紫外光极化

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五、结 语
  • 玻璃材料是一种目前其它材料不可替代的透明材料,在国民经济和社会发展中有着重要的地位和作用
  • 玻璃材料的制备方法多种多样,应根据用途、目的和性能要求等选择合适的制备方法或处理方法
  • 各种高新技术在玻璃材料制备中的应用将产生一系列新型玻璃和加工玻璃,为我们创造更加美好的明天
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框架+玻璃 的建筑物

光纤照明灯

液晶指示板

智能玻璃分隔墙

信息显示板

智能办公桌

智能玻璃构成的办公室

玻璃光电屋面

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