理论教育 硅酸盐玻璃:制备、特性及应用

硅酸盐玻璃:制备、特性及应用

时间:2023-06-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:以SiO2为主要成分的玻璃统称为硅酸盐玻璃。较低的热膨胀系数使得这种石英玻璃的热稳定性高于1000℃。我们常见的玻璃窗、玻璃瓶罐、玻璃纤维等大都是普通硅酸盐玻璃,而且属于系统。含Al2O3较多的玻璃,如铝硅酸盐玻璃的软化点高而常被用作高温玻璃、高压水银灯玻璃。硅酸盐玻璃是我们接触最多的一类玻璃。它往往也是硼硅酸盐等玻璃品种的基础。

硅酸盐玻璃:制备、特性及应用

通过桥氧形成网络结构的玻璃称为氧化物玻璃。这类玻璃中,得到最广泛应用和研究的主要有硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃等。

以SiO2为主要成分的玻璃统称为硅酸盐玻璃。由于其资源广泛、价格低廉,而且对常见化学试剂和气体介质有较高的化学稳定性,加上硬度高、生产方法简单等优点,硅酸盐玻璃成为实用价值最大的一类玻璃。

1.石英玻璃

石英玻璃中,SiO2的质量分数可达96%~99.99%以上。它除了具有耐高温、热膨胀系数低、耐热震性、化学稳定性高和电绝缘性好等特点外,还能透过紫外线红外线。因此,石英玻璃是微电子等高新技术领域不可缺少的一种材料。高纯石英玻璃可用来制备光谱仪分光光度计光学仪器的棱镜和透镜等。低膨胀石英玻璃是一种掺有TiO2的石英玻璃。在20~100℃的温度区间,低膨胀石英玻璃的膨胀系数约为3×10-8℃,这比一般石英低90%以上。较低的热膨胀系数使得这种石英玻璃的热稳定性高于1000℃。低膨胀石英玻璃是轻质天文望远镜中精密光学部件的优质材料,也是宇宙飞行器窥视窗的好材料。

下面我们着重谈谈石英光纤。早在19世纪,物理学家就认识到,光可以在玻璃纤维内表面发生多次全反射而传输几米的距离。到了20世纪,光纤已被应用到外科检测仪器上,如胃窥镜。在通信方面,那时的信息主要采用金属电缆输出电脉冲来实现的。1960年代早期,英国标准电话实验室曾预言当时所用的通信媒介,甚至包括毫米波,都无法提供足够的信息传输能力。该实验室的经理不得不断言:唯一剩下的可能是光纤。但他们担心制备高精度光纤有很大难度而未加尝试。当经理调离后,追逐这一梦想的重任落到了实验室一个叫高锟(1933— )的年轻人肩上。

采用光纤传输信号,高锟需面临两个基本问题:一是需要在纤维中布芯和表面涂层处理;二是纤维对光的吸收。在1964年,光在最好的光纤中传输20 m后,其强度就衰减为原来的1%。因此,很多科学家由此断定,光纤根本就不具备长距离通信的能力。高锟和他的助手开始学习光吸收和通信等理论,并断定光线在纤维内的衰减是由玻璃内部的杂质引起,而不是玻璃本身不能进行光传输。如果玻璃能够达到足够的纯度,光线就能几乎不受损失地远距离传输。他们于1966年发表了一篇非常详细的关于未来光通信的文章。这篇文章吸引了人们的注意。后来,许多公司因技术上的困难而泄气,但高锟仍坚持研究。在石英玻璃的纯度方面取得突破的是康宁公司。该公司以生产半导体硅的方法,通过气相分离获得了高纯石英玻璃。1974年,光纤开始得到大量生产。1981年,第一个光纤传输系统问世。这时,距高锟发表论文已经过去了15年。

高锟的研究不仅有效解决了长距离传输信息的问题,而且还极大地提高了效率并降低了成本。例如,同样一对线路,光纤的信息传输容量是金属线路的成千上万倍。而石英原料的成本比金属低很多。此外,光纤还具有质量轻、损耗低、保真度高、抗干扰能力强、工作性能可靠等诸多优点。2009年,高锟因在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就而获得诺贝尔物理学奖。(www.daowen.com)

2.普通硅酸盐玻璃

普通硅酸盐玻璃除了含有SiO2,还有Al2O3、CaO、MgO、Na2O和K2O等氧化物。因为SiO2质量分数很高的石英玻璃,熔点很高,引入以上这些氧化物的主要目的是降低配合料的熔点,而易于加工成玻璃。我们常见的玻璃窗、玻璃瓶罐、玻璃纤维等大都是普通硅酸盐玻璃,而且属于系统。含Al2O3较多的玻璃,如铝硅酸盐玻璃的软化点高而常被用作高温玻璃、高压水银灯玻璃。

平板玻璃因具有透光、隔声、隔热等功能,而成为十分重要的建筑材料。它还广泛用于车辆、船舶、飞机等交通工具的采光、隔热、隔声等。平板玻璃往往还作为玻璃后处理的原材料,用于生产镀膜玻璃、钢化玻璃、中空玻璃和夹层玻璃等。

玻璃纤维可作为复合材料的增强材料,比如,广泛用于军用飞机和导弹的玻纤增强非晶复合材料。玻璃纤维增强水泥是以抗碱玻纤为增强材料,低碱水泥为基体的复合材料。这种复合材料在耐候性、易维修和耐蚀性等方面与普通钢筋混凝土相似,但比强度高、自重轻、抗渗水性好等优点。

硅酸盐玻璃是我们接触最多的一类玻璃。它往往也是硼硅酸盐等玻璃品种的基础。

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