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、分光光度计等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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