书城科普读物科学探究丛书-新材料
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第4章 透明世界的新成员(2)

微晶玻璃集中了玻璃、陶瓷及天然石材的三重优点,优于石材和陶瓷,可用于建筑幕墙及室内高档装饰,还可做机械上的结构材料,电子、电工上的绝缘材料,大规模集成电路的底板材料、微波炉耐热列器皿、化工与防腐材料和矿山耐磨材料等等,是具有发展前途的21世纪的新型材料。

前面我们已经说了种种微晶玻璃的秒用,可是由于他的耐高温性,使它被广泛应用于航天事业和国防科技中。我们知道,导弹作为一种命中率极高、杀伤力很大的现代化武器,其头部装有一个由敏感系统、测量系统、控制系统、执行机构等电子装置组成的制导系统,它可以精确地控制和修正导弹的飞行方向。由于导弹在大气中高速飞行,其头部与空气摩擦产生了大量的热量,使导弹弹头温度相当高,所以在导弹的头部需要安装一个流线型防护罩,用以保护装在其内的制导系统。微晶玻璃具有良好的成型性,容易加工成尺寸精确、材质均匀的零件,用它做的防护罩既能让微波信号透过,又抗高温,保证其内部的电子装置在导弹高速飞行时能正常工作。而且它比重小,抗弯强度高,在短时间内可经受1200℃的高温考验。用它制作的防护罩,在导弹高速飞行时还可以辐射大量的热量,从而降低工作温度。所以用微晶玻璃做防护罩在合适不过了。

微晶玻璃还可以用作火箭、人造卫星和航天飞机的结构材料,在机械工业上可用来制造滚动轴承、汽轮机叶片、高速切削刀具、热交换器、化工用泵和管道以及其他要求耐磨、耐蚀、耐热的机械零件。

小不点的大作用——玻璃微珠

夜幕之下,乘车行驶在高速公路上时,你会发现路边的标志闪闪发光,路面标线像一条条晶亮的光带,但是,汽车开过以后再向后望去,那些发光标志却不见了,留下的只是茫茫夜色。这是怎么一回事呢?原来是一种新型回归反光材料——玻璃微珠在起作用。这种新型材料能够将汽车发出的大部分光线按原路反射回去,具有强烈的“醒目效应”,使汽车里的司机轻松看清路标,确保交通安全。这种新型照明材料对光的反射率比普通油漆高许多倍,可见度高达几百米甚至数千米。

现在让我们来详细介绍下这种定向反射材料——玻璃微珠。

玻璃微珠从宏观上看是一种白色粉末,但在光学显微镜下观察,你看到的却是一些相当均匀的球形小颗粒,其直径和头发丝差不多,可见这些球形小颗粒有多小了吧。

如此神奇的玻璃微珠是怎样生产出来的呢?生产过程是这样的:先把原料在非常高的温度下熔化成玻璃液,玻璃液经过特殊的喷嘴形成许多雾状液滴,这些液滴在表面张力的作用下自动形成规则的球形,冷却后再经过一定的处理,就得到非常有用的玻璃微珠。然后,采用等离子喷涂技术或火焰喷涂技术给它们增加一层反射层,使它们具备更加的折射效果。这些玻璃微珠折射率通常在2.20左右,水或酸等物质很难侵蚀它们,它们具有极高的抗腐蚀性,是制造定向反光膜的理想材料。

现在让我来把这些玻璃微珠的工作原理告诉给大家吧。玻璃微珠就像一面微型凸透镜一样,当光线射来时,将它们聚焦于玻璃微珠后面的焦点附近,然后有后面的反射层将这些光线反射,在经凸透镜会聚使光线沿原方向返回。这里对于暴露在空气中的玻璃微珠有特定的要求:其折射率必须不小于2。当其折射率为2时,其焦点位于后球面处,入射光线将聚集于微珠的后球面,通过涂在后球面上的反射层或球面本身的反射,光线即可从整体上沿原方向折返。而当折射率不到2时,其焦点在球外面,入射光线将聚焦于微珠的外面。显然,在这种情况下,为了得到较好的定向反射,就必须将反射层材料涂得厚一些,使得光线的焦点落在反射层界面上。

由于反射层与微珠球面成同心球面,所以即使入射光线与反光膜成斜角射入时,也能较好地被反射回来。

通常认为,微珠的折射率越高,焦点离微珠球面的距离越小,就越容易制成与微珠球面成同心球面的反射层。这样,反光膜能反射的光线的入射角就越大,反光强度就越高。但实验表明,当玻璃微珠的折射率接近1.9时,入射光线能够很好地聚焦在玻璃微珠的后表面,这时的回归反射效果最好,当折射率小于或者大于1.9时,入射充线分别聚焦在玻璃微殊的外面和内部,这时的回归反射效果会有所降低,实际使用中由于客观条件的影响。玻璃微珠的折射率通常在1.9—2.1之间。

用玻璃微珠制成的色彩斑斓的反光膜,在各类交通标志中得到了广泛的应用,如汽车的车牌号、海上救生用具反光标记、航标、路标等,在反光织物的制作中也大受青睐,矿山、消防、环卫、市政等部门夜间作业者的工作服中都少不了它,它对于改善夜间工作环境,提高夜间工作安全性都起着极为重要的作用。

这些小到不起眼的玻璃微珠,在我们的日常生活中却起到了如此巨大的作用,为玻璃家族大放异彩。

传导光线的玻璃纤维

就像水在管子中流动,电用导线来输送一样,光也能在“管子”里传导,这种管子就是“光导纤维”,它和玻璃微珠一样也是玻璃家族新一代中耀眼的明星。现代科学技术中,尤其是通信技术领域和医学界,光导纤维得到了广泛的应用。

光导纤维在通信技术领域得到了最广泛的应用,即光导纤维通信。上世纪60年代以来,光源和光纤方面取得的光辉的成就,使光导纤维通信获得突飞猛进的发展。光源激光的方向性强、频率高,是进行光通信的理想光源;光波频带宽,与电波通信相比,能提供更多的通信通路,可满足大容量通信系统的要求。因此,光纤通信与卫星通信并称为通信领域里最活跃的两种通信方式。采用光导纤维通讯,可以能节省大量的金属资源,它使用寿命长,结构紧凑,体积小,性能比电缆好得多,而且具有容量大、抗干扰性好、能量衰耗小,传送距离远、重量轻、绝缘性能好、保密性强、成本低等优点。如果采用激光通讯,一条光电缆能同时接通100亿条电话线路和1000万套电视通讯,可供全世界每人2部电话使用。而且光导纤维通讯的频率范围宽、传递的音质好、图像清晰、色彩逼真。同时,由于光导纤维通讯的光能频率高,具有极好的抗干扰性,特别是使用激光光源时更为突出,把抗干扰性又提高了一步。光能在光导纤维中屏蔽传导、不易泄露、不易被截获、具有良好地保密性。更不受空间各种频率电磁波的干扰,也不会受到风、雨、雷、电的影响,是真正的全天候式安全通讯技术。

在医学界,光导纤维也是医生的宠儿,被用于制作观察食道、直肠、膀胱、子宫、胃等内部器官的内窥镜和不必开刀就可以直接插入身体内部,由光导纤维将激光传递到手术部位,将病变组织切除的外科手术激光刀。

现在你是不是心存疑惑呢,初中课本告诉我们“光沿直线传播”,那么长达万里的通讯光纤,还有那形态万千的医学仪器,是不是都是直线形的呢?当然不是。下面让我们看一下光在光导纤维中是怎么传播的吧。

其实,光沿着直线传播是千真万确的事实,而传播光的光导纤维是弯曲的也不假,这两个结论都是对的,互相并不矛盾。只是这两个结论都要是在一定条件下才能成立的。光在同一种物质里传播的路线确实是直线。但如果光从一种物质进入另一种物质时,光的传播方向通常会改变。平面镜将光线反射,光线斜射入水或玻璃等物质会发生折射,这些现象中光的传播方向也发生了变化。

往往光的折射和反射是相伴而生的,但当光由光密介质“折射率大的物质”进入光疏介质“折射率小的物质”时,能够在这两种介质的交界面上产生全反射,即光不进入折射率小的介质、而全部返回到折射率大的介质中。

因此,用玻璃纤维作为光密介质,光束玻璃纤维中传导时,光束遇到玻璃纤维的截面就发生全反射,所以不管玻璃纤维弯曲成什么形状,都能在终端接收到这束光线。这种利用光的全反射作用来传导光线的玻璃细丝,叫做光导纤维。为了更好的让光线在光导纤维中传播,我们长在这些玻璃细丝外加上一层外皮,外皮层的折射率通常比玻璃细丝的折射率要小。这样,进入玻璃细丝的光线在其中与外皮层的界面上作多次全反射而曲折前进,就像光线被外皮层紧紧地封闭在其中,不会外露。光线只能沿着玻璃细丝传送,就好像自来水只能在水管里流动那样。而我们通常将其中的玻璃纤维细丝叫做芯线。

大家都知道,光在物质中传导会被吸收或散射一部分而逐渐减弱。为了减少光在光导纤维中长距离传导时的损耗,应该采取以下技术措施:

首先,要采用超纯石英玻璃来制造光导纤维,以尽量减少光导纤维中的杂质。其次,尽量改善玻璃内部结构上的均匀性。第三,采用波长较长的激光束进行传导,以提高光导纤维的传导效果。

管棒法,是制作光导纤维的最常用的方法。管棒法,顾名思义就是将折射率较大的玻璃棒,插入到折射率较小的玻璃管中,加热至熔融状态,拉伸成内外两层的玻璃纤维长丝。

目前所生产的光导纤维分为单模光导纤维和多模光导纤维两种。模指的是传导光线的路径。单模光导纤维,芯线直径一般都在10微米以下,外径也不超过125微米,1000米长的单模光纤,重量只有27克,传送波长为1.55微米的激光时,每传播1000米,光能的损耗不到0.2分贝,一条单模光导纤维一次也只能有一束光线大致沿芯线的中心传播;而多模光导纤维比较粗,芯径为50微米,外径为125微米,光线可以在光纤中沿着多条路径传播。