新型功能玻璃_沈超

新型功能玻璃

沈　　　超

(天津塘沽城市建设投资公司　天津市　300450)

王　德　宪

(秦皇岛玻璃工业研究设计院　秦皇岛市　066004)

　　玻璃在日常生活中随处可见, 从建筑玻璃、器皿玻璃, 到玻璃镜片等可以说与人们的生活息息相关, 从不同的方面满足生活和生产的需要。随着科学技术的发展和社会的进步, 人们对玻璃的要求越来越趋于多样化、功能化。所谓功能化是指通过改变其化学成分或采取适当的工艺和加工方法, 将一定的物理性质、化学性质、生物学性质等赋予玻璃体, 使其获得所需的功能。可以把功能化与玻璃体之间的关系比作人的神经系统与骨骼, 功能化的玻璃作为一个有机整体, 能够更好地服务于人类。近些年来, 功能玻璃的研究一直非常活跃, 从玻璃的化学成分上说, 除氧化物玻璃外, 还有卤化物玻璃, 硫属化物玻璃, 金属玻璃等; 从形状上说, 有块(片) 状玻璃, 纤维玻璃, 镀膜玻璃, 微粉末等多种根据用途而制出的功能玻璃。加工或制造方法, 除传统的熔融—冷却法和设计新成分外, 还有镀膜法, 结晶法, 离子交换法, 溶胶—凝胶法等。如此众多的功能玻璃按其功能或主要使用性能来分类的话, 可大致分为七类。这就是, 光功能玻璃, 电功能玻璃, 磁功能玻璃, 机械功能玻璃, 生物功能玻璃, 化学功能玻璃, 热功能玻璃。当然这种分类方法并非严格, 因为一种玻璃可以有几种功能, 只不过是为了叙述方便罢了。1　光功能玻璃

光功能玻璃在所有功能玻璃中占的比例最大。其中包括光导玻璃纤维、激光玻璃、光致变色玻璃、光的选择透过和反射玻璃、非线性光学玻璃等。

光导纤维是人们非常熟悉的。由于它能同时传递多个信号, 使通讯事业得到了飞速发展。但光在玻璃中传输会有光损失。所以, 如果长距离通讯, 由于传输损耗的原因, 应在途中设中继站, 将信号放大, 又一次涉及到光信号与电信号之间的转换, 这样做是很不经济的。为避免长距离传输中的中断站问题, 人们正在研究开发传输损耗低的卤化物玻璃, 以期实现万公里无中继超远距离通讯。

光导纤维在测量仪表中的应用是非通讯领域中的最大应用领域之一。磁敏光导纤维可用作电流、磁场传感器; 力敏光导纤维可用于压力、声传感器; 热敏光导纤维可用于温度传感器; 超高双折射光导纤维可用于干涉型光纤传感器。

光功能玻璃在光学仪器中起着核心作用。可做成各种特殊要求的透镜、棱镜、反射镜等, 以扩展光学仪器的用途或改善其性能。用离子交换法和光刻蚀技术, 可以做出具有折射率梯度分布的平面微透镜, 这种透镜在复印机中作图象转换, 可使复印机体积大幅度缩小。日本大阪松浪硝子公司在磷酸盐玻璃中添加稀土类金属, 开发出可遮挡近红外线的玻璃, 供影象照相机和自动焦点照相机使用。

激光玻璃广泛用于工业, 自然科学, 医学, 军事等方面。在工业领域用于激光打孔、焊接、切割、测距等; 自然科学领域用于喇曼光谱, 布里渊散射的研究等; 医学领域用于治疗皮肤病, 切除肿瘤等; 军事领域用于制导、导航等。

非线性光学玻璃是近几年新出现的光功能玻

璃。现在社会正由电子时代向光量子时代转化, 正如电子时代处理电信号要用到电子元件那样, 在光量子时代对光信号的处理(包括波长变换, 信号放大, 光学倍频, 光记录, 光开关等) 也要用到光学元件, 非线性光学玻璃可以充当这种元件。光具有超高速, 超并列的特点, 在传输信号的容量和质量方面优于电信号。电子计算机利用配线将逻辑门间连接起来, 运用程序指定逻辑门间如何组合, 使电流流过, 进行运算。光学计算机逻辑门间没有物理配线, 利用棱镜、透镜等进行光连接, 从而驱动逻辑门的选择进行运算。随着信息科学的发展及光学计算机的研制, 非线性光学玻璃必将具有光明的前景。

2　电功能玻璃

电功能玻璃一般指快离子导体玻璃、电子导体玻璃(离子、电子) 混合导体玻璃(如电致变色玻璃) 、延迟线玻璃等。

普通玻璃是不导电的, 常温下的电导率极低。但玻璃体中含有银、铜、钛、锂、钠等一价离子时, 电导率却高出许多倍。这种玻璃叫离子导体玻璃。这些一价离子在电位梯度的作用下, 通过间隙或空位发生迁移, 从而达到导电的目的。当然, 离子除带有电荷外, 还具有一定的大小和质量, 在固体中移动困难。因此, 必须要求固体中存在有利于离子移动的特殊结构, 并且空位的数目要大于导电离子的数目。离子不是固定在某一位置上, 而是统计地分布在固体中。非晶态的玻璃恰好能满足上述要求。快离子导体玻璃可做成离子选择性电极, 超薄型全固体二次电池, 各种敏感传感器等。

硫属化物玻璃属于电子导体玻璃。它具有半导体性质、红外透过性、低熔点等特性, 可用于制造开关及存储元件、红外光纤、低熔封材料等。

电致变色玻璃也是玻璃家族的一个新成员。在复层玻璃表面镀上透明导电膜电极, 膜电极间涂上作为发色层的变价金属氧化物, 其颜色随价态不同而变化。通过含有电子和离子的电解质层加上电压

时, 金属的价态会发生变化, 从而导致玻璃的颜色变化。这种玻璃用于汽车或建筑物上, 会发挥天然空调的功能, 同时也会使汽车或建筑物增加美感。最近, 德国皮尔金顿公司研制出一种建筑用电致变色玻璃, 玻璃表面镀了一层氧化钨, 通过电压控制, 可使玻璃产生由完全透明到深蓝色等各种颜色变化。室外阳光强时, 玻璃颜色变深, 阳光弱时玻璃颜色随之变透明, 改善室内光线。

延迟线玻璃可使电信号延迟一定时间。即将电信号转变为超声波后通过玻璃, 可使信号延迟数十微秒。因此, 可用于电视机、录象机的画面处理。这种玻璃一般为铅硅酸盐玻璃。3　磁功能玻璃

法拉第旋转玻璃(磁光玻璃) 、计算机磁盘玻璃等属磁功能玻璃。

将玻璃放入磁场中, 光通过玻璃时, 光的偏振面会发生正向或反向旋转, 这种玻璃叫法拉第旋转玻璃。这种玻璃一般含有铊、铅、碲、铽等。它可用来做偏光或检偏光元件、光开关、光隔离器等。

玻璃作为计算机磁盘的基板与铝合金相比, 其中间层、磁性层、保护层等基本一样。但铝合金的硬度较小, 为增加其硬度, 需在表面涂以无电解镀层。而玻璃由于其硬度足够, 无须外加类似涂层, 也不会产生塑性形变。因此, 玻璃作为磁记录盘的基板材料优于其他软性材料。但玻璃板一定要做到表面光滑, 不能有疙瘩缺陷, 以免与磁头相碰。玻璃基板要平坦, 不能弯曲变形, 以免磁头与磁盘表面相撞。基板表面也不得有坑、槽、划伤之类的缺陷。只有这样才能保证磁头与磁盘间的间隙(磁头的上浮高度) 足够小, 保证磁记录的质量和效率。随着计算机事业的发展和普及, 玻璃磁盘会有很好的市场前景。

4　机械功能玻璃(力学功能玻璃)

高硬度、高强度、高韧性玻璃等均属于机械功能玻璃。

玻璃在使用过程中, 难免要与其它物质发生接

触, 容易造成划伤。为避免划伤, 就要增加玻璃的硬度。含氧化钇、氧化镧的铝硅酸盐玻璃, 其维氏硬度显著高于钠钙硅玻璃。在氧化物玻璃中导入氮原子的玻璃, 其维氏硬度更高。高硬度玻璃可用作汽车前风挡玻璃及钟表的表蒙等。

玻璃的理论强度很高, 但实际强度只有理论强度的百分之一, 甚至千分之一。其原因就是玻璃表面存在着微裂纹。要提高玻璃的强度, 一种方法就是设法除去玻璃表面的微裂纹。如采取酸蚀法、精密研磨法、镀膜法等。另外还有使玻璃表面形成压应力, 即采用加热—急冷或离子交换钢化法。也可以设法提高玻璃的韧性。这种高强度的玻璃适合作汽车、火车、飞机的防风玻璃。

普通玻璃是一种韧性小的脆性材料。但微晶玻璃是一种高强度、高韧性的可切削玻璃。微晶玻璃是玻璃在加热过程中控制晶化而制得的一种含有大量微晶体的多晶材料, 其晶体大小一般为几个微米。正是由于这些微晶相的存在, 使玻璃的性质大大改善。可切削微晶玻璃可以用通常的车削工具加工成尺寸和形状非常精确的零部件, 且加工后不需作任何处理便可直接使用。5　生物功能玻璃

生物功能玻璃主要是指能够满足和达到生理和生物功能的玻璃。人的骨骼牙齿等由于种种原因需要更换或修复。一般使用的人造骨、人造牙齿的材料多为钴铬合金或钛等的金属材料; 氧化铝或磷灰石等的陶瓷材料。这些材料除磷灰石外都没有生物活性。近年来开发出一些具有生物活性、机械强度高的生物功能玻璃。它具有与周围骨质结合牢固(生物活性) 、植入骨内没有排斥反应、对人体无害、无毒(生物亲和性) 、机械强度较自然骨骼高、且在人体内无强度疲劳现象、容易灭菌、成形加工容易等特点。

生物功能玻璃多为含钙和磷的微晶玻璃。将这样的玻璃植入骨骼后, 自玻璃表面溶出的钙离子与体液中存在的磷酸根离子结合生成磷酸钙层, 借此与骨头表面新生骨的磷酸钙层牢固地结合在一起。

生物玻璃主要用在人造骨、人造牙、人造关节等方面。

生物功能玻璃已引起许多研究人员的兴趣, 采取不同的工艺和技术, 选用不同的材料, 以期得到既能生物亲和, 又具较高生物活性的最有实用价值的玻璃。这种玻璃的临床使用将会为人类生活带来更多快乐和幸福, 大大提高人们的生活质量。6　化学功能玻璃

可进行气体或液体分离、放射性废弃物固化处理, 作为催化剂和酶载体的多孔玻璃, 憎水(油) 防污染、杀菌玻璃, 混凝土增强玻璃纤维等属于化学功能玻璃。

利用热分相法, 溶胶—凝胶法可做出比表面积大、孔径分布均匀的多孔玻璃。现已开发出二氧化硅、二氧化钛、二氧化锆、五氧化二磷等多种系列的多孔玻璃。多孔玻璃可用于高温、高压下化学反应产物的分离, 以提高反应产率; 可望在环保方面用作烟囱气中二氧化碳、二氧化硫的分离去除, 放射性废弃物的固化处理; 用于污水处理、海水淡化; 用于色谱柱的填充剂; 用于催化剂载体, 在食品、饮料、医学领域用作酶载体等。无机玻璃作为分离膜尽管价格比有机分离膜高, 但无机玻璃具有耐水、耐油、耐微生物污染等特性, 并具有耐高温等无机材料的特性, 将会弥补有机材料的缺点, 与有机材料互补, 为人类提供更多的实用性材料。

在玻璃表面涂上一层含氟硅烷偶联剂, 使玻璃表面能降低, 从而达到憎水憎油防污染的目的。这种玻璃适合作汽车等交通工具的挡风玻璃, 也可作建筑物的窗用玻璃。将二氧化钛光催化剂涂于玻璃表面, 受阳光紫外线照射, 发生光化学反应, 反应产生的活性物质具有极强的氧化能力, 可杀死玻璃表面的细菌和病毒, 并可使附着在玻璃表面的有机物降解而脱离玻璃表面。因此, 这种玻璃不需要专门清洗就可保持自身的清洁, 所以有人称这种玻璃为自洁玻璃。这种玻璃可用作饮具、医院手术室器

(下转32页)

是接受物体放射出的红外线, 测量放射出来的红外线能量的大小, 将其转化成相应的温度数值通过显示器显示出来。因此, 我们可以在退火窑内合理的位置安装辐射温度计测量温度。在退火窑内相同的位置, 使用辐射温度计和热电偶分别测量玻璃板的温度, 从C 区到A 区, 距玻璃板表面50mm 的热电偶所测得的温度比辐射温度计所测得的温度要低60℃到40℃, 测量数据如下表。

理论温度曲线与实际生产温度曲线的比较/℃

位置理论热电偶辐射温度计

A 区末端560520550

B 区末端480420470

C 区末端380300360

温度曲线, 就会有比较好的效果。此温度曲线与理论温度曲线较接近。一般情况下, 用玻璃板表面的温度制定的温度曲线仍要比理论温度曲线低5～10℃。原因是红外测温仪测得的是玻璃板表面温度, 而玻璃板芯的温度要稍高于玻璃板表面温度, 玻璃板越厚差值越大, 但这一差值相对来讲是恒定的, 比较容易控制。4　结　论

在实际生产中我们以理论温度曲线做依据, 以辐射温度计测量的温度做温度曲线, 可以很好的控制退火质量。尤其是对新投产的生产线来讲, 很快可以制定出最佳的温度曲线, 极大地减少试生产时间, 降低试生产费用; 另一方面, 在生产工况和环境发生较大变化时, 使用辐射温度计就能克服这一变化对玻璃退火质量的影响, 保证生产的稳定。

3　使用辐射温度计代替热电偶建立温度曲线

既然热电偶测量的温度与实际玻璃板温度存在着很大的差距, 在实际生产中为了严格控制退火质量, 我们以辐射温度计测得的玻璃板表面温度建立(上接46页) 材、汽车后视镜等。

混凝土耐压力强, 但抗张力弱。为了提高抗张力, 在水泥中加入钢筋或石棉。1960年, 英国一家建筑研究所开始采用与玻璃钢同样的增强方法试验用玻璃纤维增强混凝土。增强混凝土用的玻璃纤维必须具有耐碱性, 为此研究出含锆耐碱玻璃纤维。使用耐碱玻璃纤维的混凝土其抗弯强度和耐冲击强度都有显著提高。玻璃纤维增强混凝土可作建筑用, 也可作输水管道、配线管道等。7　热功能玻璃

热功能玻璃主要是指热膨胀系数小(或可变) 、经骤冷骤热而不破坏的低膨胀耐热玻璃。

低膨胀微晶玻璃具有很高的热稳定性, 是制造饮具、餐具的理想材料, 微晶玻璃的膨胀系数可以在一定范围内调节, 因此可用于和多种金属封接, 也可作金属和陶瓷、金属和玻璃的焊料。另外还有在低温下就能软化, 用于玻璃、金属及电子元件的熔封或粘接的含铅低熔点玻璃。这些玻璃主要用于电子工业。

气凝胶玻璃从外观和透明度来看, 与普通玻璃类似, 但它具有保温性好、耐热性高、吸音性强、阻燃等特点。可用作耐热玻璃、防火门构件、太阳聚光镜屋面、节能建筑窗隔热玻璃等。

总之, 功能玻璃既继承了普通玻璃的优点, 又展现出自身的优良性能, 这就奠定了它在国民经济和科学技术中的地位。它那魔术般的功能性, 在材料领域内所发挥的重要性, 以及对科学技术发展的必要性, 吸引着许多材料科学领域内的工作者。它的产品附加值高、应用范围广、市场规模小、产品更新快等特点, 也吸引了很多有识制造商的兴趣。但由于制造工艺和技术以及原材料等诸多方面的因素, 致使某些品种的功能玻璃价格偏高, 难于商品化。再加上功能玻璃方面的开发研究还是一个比较年轻的科学领域。某些功能玻璃方面的理论还不太成熟, 还有的功能玻璃的用途尚待开发。上述问题需要材料科学领域的工作者及有关制造商做进一步的努力。另外, 伴随着尖端技术的出现, 还会对玻璃提出新的功能要求。因此, 新型功能玻璃的开发研究是一个前景广阔的科学领域。