無機非金屬材料實驗

1、無機非金屬材料實驗無機非金屬材料實驗玻璃制備與加工方法玻璃制備與加工方法趙趙 修修 建建提提 綱綱 引言引言 玻璃的一般制備方法熔融冷卻法玻璃的一般制備方法熔融冷卻法 特種制備方法特種制備方法 高速冷卻法高速冷卻法 氣相合成法氣相合成法 溶膠凝膠法溶膠凝膠法 氣氛保護法氣氛保護法 特種加工處理方法特種加工處理方法 結(jié)語結(jié)語一、引言一、引言玻璃的定義：玻璃的定義：一般定義：經(jīng)熔融冷卻基本上不結(jié)晶的無機一般定義：經(jīng)熔融冷卻基本上不結(jié)晶的無機固體物質(zhì)固體物質(zhì) 科學(xué)定義：具有玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的非晶態(tài)物質(zhì)科學(xué)定義：具有玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的非晶態(tài)物質(zhì)原子排列具有無規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在原子排列具有無規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在x

2、射線衍射射線衍射中表現(xiàn)為非晶態(tài)中表現(xiàn)為非晶態(tài) 介穩(wěn)狀態(tài)介穩(wěn)狀態(tài)具有玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象具有玻璃轉(zhuǎn)變現(xiàn)象 無固定熔點無固定熔點 玻璃與非晶態(tài)材料的種類玻璃與非晶態(tài)材料的種類種類種類材料（例）材料（例）化學(xué)組成（例）化學(xué)組成（例）A. A. 無機玻璃（氧化物、無機玻璃（氧化物、氟化物）氟化物）B B凝膠凝膠C. C. 非晶態(tài)半導(dǎo)體非晶態(tài)半導(dǎo)體 a. a. 硫系玻璃硫系玻璃 b. b. 非晶態(tài)元素半導(dǎo)體非晶態(tài)元素半導(dǎo)體D. D. 無定形碳無定形碳E. E. 金屬玻璃金屬玻璃F. F. 高分子玻璃高分子玻璃石英玻璃，平板玻璃，光學(xué)石英玻璃，平板玻璃，光學(xué)玻璃，氟化物玻璃等玻璃，氟化物玻璃等硅膠，硅礬土（吸附劑

3、，催硅膠，硅礬土（吸附劑，催化劑載體）化劑載體）靜電復(fù)印用的靜電復(fù)印用的SeSe膜，電視攝膜，電視攝象機用的光電導(dǎo)膜等象機用的光電導(dǎo)膜等太陽能電池用無定形半導(dǎo)體太陽能電池用無定形半導(dǎo)體玻璃碳、碳黑、碳膜等玻璃碳、碳黑、碳膜等軟磁合金，高強度無定形合軟磁合金，高強度無定形合金金有機玻璃，樹脂有機玻璃，樹脂SiOSiO2 2, 16Na, 16Na2 2O.12CaO.72SiOO.12CaO.72SiO2 2, , NaF-BeFNaF-BeF2, 2, 53La53La2 2O O3 3. .37B37B2 2OO3 3. .5ZrO5ZrO2 2. .5Ta5Ta2 2OO5 5, , Si

4、OSiO2 2, SiO, SiO2 2-Al-Al2 2OO3 3等等Se, AsSe, As4040SeSe3030TeTe3030等等SiSi, Ge, Ge等等C C等等FeFe8080P P1313C C7 7等等PMMAPMMA等等 玻璃與特種玻璃：玻璃與特種玻璃： 普通玻璃：平板玻璃、夾層玻璃、熱反射玻璃、熱吸收玻普通玻璃：平板玻璃、夾層玻璃、熱反射玻璃、熱吸收玻璃、建材微晶玻璃、中空玻璃、汽車玻璃、鋼化玻璃、眼璃、建材微晶玻璃、中空玻璃、汽車玻璃、鋼化玻璃、眼鏡玻璃、瓶罐玻璃、熱水瓶玻璃、餐具玻璃、微晶玻璃餐鏡玻璃、瓶罐玻璃、熱水瓶玻璃、餐具玻璃、微晶玻璃餐具、耐熱玻璃餐具、光

5、學(xué)玻璃、玻璃纖維、增強用玻璃纖具、耐熱玻璃餐具、光學(xué)玻璃、玻璃纖維、增強用玻璃纖維、電子玻璃（電真空玻璃）、顯象管玻璃、封接玻璃、維、電子玻璃（電真空玻璃）、顯象管玻璃、封接玻璃、光掩模玻璃、理化玻璃、醫(yī)用玻璃、溫度計玻璃、顏色玻光掩模玻璃、理化玻璃、醫(yī)用玻璃、溫度計玻璃、顏色玻璃、發(fā)泡玻璃、裝飾玻璃和工藝玻璃等。璃、發(fā)泡玻璃、裝飾玻璃和工藝玻璃等。 特種玻璃：通訊用玻璃光纖、激光玻璃、激光核聚變玻璃、特種玻璃：通訊用玻璃光纖、激光玻璃、激光核聚變玻璃、電子器件用玻璃、法拉第旋轉(zhuǎn)玻璃、石英玻璃、放射性核電子器件用玻璃、法拉第旋轉(zhuǎn)玻璃、石英玻璃、放射性核廢料固化玻璃、云母微晶玻璃、多孔玻璃、生物

6、玻璃、生廢料固化玻璃、云母微晶玻璃、多孔玻璃、生物玻璃、生化玻璃、氧氮玻璃、凝膠玻璃、水合玻璃、偏振玻璃、鍍化玻璃、氧氮玻璃、凝膠玻璃、水合玻璃、偏振玻璃、鍍膜玻璃、天然玻璃（黑曜石）等。膜玻璃、天然玻璃（黑曜石）等。 玻璃的發(fā)現(xiàn)玻璃的發(fā)現(xiàn) 二、玻璃的一般制備方法二、玻璃的一般制備方法 熔化冷卻法熔化冷卻法 “熔化熔化”也稱也稱 “ “熔煉熔煉”，是鋼、鐵、鋁等金屬，是鋼、鐵、鋁等金屬材料；玻璃、鑄石、熔鑄耐火材料、人工晶體等材料；玻璃、鑄石、熔鑄耐火材料、人工晶體等無機非金屬材料材料的主要工藝過程。無機非金屬材料材料的主要工藝過程。 在實驗室條件下，玻璃熔化實驗的過程（玻璃的在實驗室條件下，

7、玻璃熔化實驗的過程（玻璃的主要制備工藝）是：主要制備工藝）是：玻璃熔制的五個階段玻璃熔制的五個階段 硅酸鹽形成：主要的固相反應(yīng)結(jié)束，配合料變成由硅酸硅酸鹽形成：主要的固相反應(yīng)結(jié)束，配合料變成由硅酸鹽和二氧化硅組成的不透明燒結(jié)物。鹽和二氧化硅組成的不透明燒結(jié)物。800800900900。 玻璃的形成：硅酸鹽燒結(jié)物和二氧化硅熔融、溶解、擴玻璃的形成：硅酸鹽燒結(jié)物和二氧化硅熔融、溶解、擴散，使不透明的半熔融燒結(jié)物變?yōu)橥该鞯牟Ａб?，不再含散，使不透明的半熔融燒結(jié)物變?yōu)橥该鞯牟Ａб?，不再含有未反?yīng)的配合料顆粒。有未反應(yīng)的配合料顆粒。1200 1200 14001400。 澄清：排除可見氣泡。澄清：排除可

8、見氣泡。 1200 1200 14001400。玻璃液粘度。玻璃液粘度 10 Pa S 10 Pa S 。 玻璃液的均化：消除條紋和其他不均體，使玻璃各部分玻璃液的均化：消除條紋和其他不均體，使玻璃各部分在化學(xué)組成上達到預(yù)期的均勻一致。在化學(xué)組成上達到預(yù)期的均勻一致。 玻璃液的冷卻：讓玻璃液的粘度增高至成形所需的范圍。玻璃液的冷卻：讓玻璃液的粘度增高至成形所需的范圍。通常溫度降低通常溫度降低200 200 300300。室溫800900oC12001400oC12001400oC300500oC重油燃燒氣氛保護錫槽熔窯熔融玻璃熔融錫牽引輥玻璃帶浮法玻璃的制造過程示意圖浮法玻璃的制造過程示意圖三

9、、特種制備方法三、特種制備方法1 1、高速冷卻法、高速冷卻法難以形成玻璃的物質(zhì)的玻璃化難以形成玻璃的物質(zhì)的玻璃化 與傳統(tǒng)的玻璃制造方法一樣，該方法首先必須與傳統(tǒng)的玻璃制造方法一樣，該方法首先必須將固體原料熔化，再將熔體高速冷卻，防止析晶，使將固體原料熔化，再將熔體高速冷卻，防止析晶，使玻璃形成范圍擴大，獲得一些傳統(tǒng)方法難以獲得的具玻璃形成范圍擴大，獲得一些傳統(tǒng)方法難以獲得的具有特殊性能的新組成玻璃。有特殊性能的新組成玻璃。利用紅外線加熱的高速冷卻裝置利用紅外線加熱的高速冷卻裝置82AgI13.5Ag2O4.5B2O3熔體高速冷熔體高速冷卻產(chǎn)物的掃描電鏡照片卻產(chǎn)物的掃描電鏡照片 2 2、氣相法、

10、氣相法 以氣體作原料，或?qū)⒐腆w原料氣化成以氣體作原料，或?qū)⒐腆w原料氣化成氣體，再加熱（或其它外場）發(fā)生化學(xué)反氣體，再加熱（或其它外場）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而制備玻璃或非晶態(tài)物質(zhì)的方法。主要應(yīng)而制備玻璃或非晶態(tài)物質(zhì)的方法。主要有化學(xué)氣相沉積法和物理氣相沉積法有化學(xué)氣相沉積法和物理氣相沉積法 過飽和度對生成產(chǎn)物結(jié)晶狀態(tài)的影響過飽和度對生成產(chǎn)物結(jié)晶狀態(tài)的影響化學(xué)氣相沉積法（化學(xué)氣相沉積法（CVDCVD）的原理）的原理MCVDVADOVD光纖用石英玻璃的制備方法光纖用石英玻璃的制備方法（真空）蒸發(fā)沉積法（真空）蒸發(fā)沉積法離子鍍離子鍍?yōu)R射法濺射法物理氣相沉積法（物理氣相沉積法（PVDPVD）用于工業(yè)生產(chǎn)鍍膜玻璃

11、的磁控濺射方法的原理用于工業(yè)生產(chǎn)鍍膜玻璃的磁控濺射方法的原理 3 3、溶膠凝膠法、溶膠凝膠法 該方法是由溶液出發(fā)，經(jīng)過化學(xué)處理，使溶液該方法是由溶液出發(fā)，經(jīng)過化學(xué)處理，使溶液中析出微細的顆粒，即所謂溶膠化；再將其濃縮，中析出微細的顆粒，即所謂溶膠化；再將其濃縮，或經(jīng)過調(diào)節(jié)或經(jīng)過調(diào)節(jié)pHpH值使溶膠縮聚形成凝膠；最后加熱凝值使溶膠縮聚形成凝膠；最后加熱凝膠，使凝膠中的有機物和水分揮發(fā)，燒結(jié)后獲得玻膠，使凝膠中的有機物和水分揮發(fā)，燒結(jié)后獲得玻璃。該方法被廣泛用于特種玻璃、功能涂層或薄膜璃。該方法被廣泛用于特種玻璃、功能涂層或薄膜等的制備。等的制備。 溶膠紡絲的石英玻璃纖維溶膠紡絲的石英玻璃纖維va

12、lve heaterSubstrategas flow with high pressure Sol flow各種溶膠凝膠鍍膜方法各種溶膠凝膠鍍膜方法浸漬提拉法浸漬提拉法旋涂法旋涂法噴涂法噴涂法瀉流涂覆法瀉流涂覆法層流涂覆法層流涂覆法應(yīng)用于應(yīng)用于TiOTiO2 2薄膜自潔凈玻璃生產(chǎn)的溶膠凝膠鍍膜生產(chǎn)線薄膜自潔凈玻璃生產(chǎn)的溶膠凝膠鍍膜生產(chǎn)線 4 4、氣氛調(diào)節(jié)熔融法、氣氛調(diào)節(jié)熔融法 在鹵化物玻璃的制備中，為了保證鹵化物玻在鹵化物玻璃的制備中，為了保證鹵化物玻璃所特有的光學(xué)或其它性能，要制備無氧離子和璃所特有的光學(xué)或其它性能，要制備無氧離子和OHOH根離子的玻璃，必須在氬氣、氮氣或氨氣等氣根離子的玻

13、璃，必須在氬氣、氮氣或氨氣等氣氛中熔制玻璃。氛中熔制玻璃。 在硫系物玻璃的制造中，通常采用將原料放在硫系物玻璃的制造中，通常采用將原料放在石英玻璃管內(nèi)、真空封管后、再加熱熔融制備在石英玻璃管內(nèi)、真空封管后、再加熱熔融制備成玻璃的方法，也可采用從原料處理到熔融精煉成玻璃的方法，也可采用從原料處理到熔融精煉全部在氮氣氣氛中進行的所謂連續(xù)熔制法。全部在氮氣氣氛中進行的所謂連續(xù)熔制法。硫系（硫鹵）玻璃的制備方法硫系（硫鹵）玻璃的制備方法四、通過加工處理制備新的玻璃四、通過加工處理制備新的玻璃 通過對玻璃進行摻雜、離子交換、分相通過對玻璃進行摻雜、離子交換、分相與晶化、表面鍍膜、極化處理、結(jié)構(gòu)調(diào)控、與晶

14、化、表面鍍膜、極化處理、結(jié)構(gòu)調(diào)控、機械拉伸、離子注入以及復(fù)合化等。機械拉伸、離子注入以及復(fù)合化等。離子交換法離子交換法電場熔鹽離子交換電場熔鹽離子交換 電場熔鹽離子交換工藝原理圖電場熔鹽離子交換工藝原理圖 電場熔鹽離子交換裝置示意圖電場熔鹽離子交換裝置示意圖 (a) 折射率分布計算值 (b) 實測模式強度分布離子交換制備的光波導(dǎo)折射率分布離子交換制備的光波導(dǎo)折射率分布離子交換法制備光波導(dǎo)分路器離子交換法制備光波導(dǎo)分路器利用紫外光照射制作光纖布拉格光柵利用紫外光照射制作光纖布拉格光柵紫外線位相掩模光纖通過位相掩模，照射紫外光，在光纖中形成折射率的高通過位相掩模，照射紫外光，在光纖中形成折射率的高

15、與低的周期變化的布拉格光柵與低的周期變化的布拉格光柵逸出光纖包層中傳輸入射光透過光反射光光纖布拉格光柵中光的傳輸光纖布拉格光柵中光的傳輸利用機械強制拉伸法制備偏光玻璃利用機械強制拉伸法制備偏光玻璃偏光玻璃的消光比偏光玻璃的消光比利用利用CVDCVD法在法在SiSi片表面制備石英玻璃光波導(dǎo)片表面制備石英玻璃光波導(dǎo)利用飛秒脈沖激光聚焦后與玻璃的作用制備新玻璃利用飛秒脈沖激光聚焦后與玻璃的作用制備新玻璃含Ag的玻璃局部晶化點飛秒脈沖激光飛秒脈沖激光的照射使玻璃局部發(fā)生晶化飛秒脈沖激光的照射使玻璃局部發(fā)生晶化采用飛秒脈沖激光制備三維光波導(dǎo)采用飛秒脈沖激光制備三維光波導(dǎo)飛秒脈沖激光移動聚焦點玻璃聚焦點部分的折射率增大光波導(dǎo)激光內(nèi)雕激光內(nèi)雕電極絕緣體電極極化效果驗證熱極化熱極化光極化光極化光纖193nm紫外光樣品電極1.5mm光1.5mm光紫外光極化紫外光極化利用極化制備二利用極化制備二階非線性光學(xué)玻階非線性光學(xué)玻璃璃五、結(jié)五、結(jié) 語語 玻璃材料是一種目前其它材料不可替代的透明材料，玻璃材料是一種目前其它材料不可替代的透明材料，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中有著重要的地位和作用在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中有著重要的地位和作用 玻璃材料的制備方法多種多樣，應(yīng)根據(jù)用途、目的玻璃材料的制備