书城科普读物神奇的新材料(海洋与科技探索之旅)
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第62章 特种玻璃

特种玻璃指除平板玻璃和日用器皿玻璃以外的,采用精制、高纯或新型原料,采用新工艺在特殊条件下或严格控制形成过程制成的具有特殊功能或特殊性能或特殊用途的新型玻璃,包括经玻璃晶化获得的微晶玻璃等。它们是在普通玻璃所具有的透光性、耐久性、气密性、形状不变性、耐热性、电绝缘性、组成多样性、易成型性和可加工性等优异性能的基础上,通过使玻璃具有特殊的功能,或将上述某项特性发挥列极致,或将上述某项特性置换成为另一种特性,或牺牲上述某些性能而赋予某项有用的特性后获得的。如今,高性能的特种玻璃不仅作为重要的无机结构材料而被使用,而且也是新型的功能材料之一,在现代科学技术发展中占有重要地位。

.与传统玻璃的比较(1)成分的变化从纯硅酸盐系统发展至以硅酸盐、硼酸盐及磷酸盐为主的玻璃系统,并进一步出现了锗酸盐、碲酸盐、铅酸盐、锑酸盐、铋酸盐、铝酸盐及钡酸盐等新的非硅酸盐氧化物系统;从纯氧化物发展至卤化物、硫族化合物和合金化合物等非氧化物玻璃;出现由上述不同类型玻璃混合而成的混合玻璃;从纯无机化合物发展至ORMOSIL复合玻璃,最近还通过加入丙烯酸酯类化合物形成了新的有机-无机玻璃;从成分单纯的Na2O-CO-SiO2系统发展至元素周期表中大部分元素作为成分的多形式特种玻璃。

(2)形状的变化从传统的板状、块状发展至薄膜和纤维,即从三维发展到二维和一维,另外还有空心和实心及各种粒状范围的玻璃微球。若把近年来研究的玻璃量子点效应也包括进去,那么特种玻璃材料已经进入零维范畴的研究。

(3)玻璃态的变化过去的观点认为玻璃是由单一均匀的玻璃态构成,随着特种玻璃的发展,玻璃材料已经从传统的均一的玻璃态发展到多种不互溶的玻璃态,发展到玻璃与可控大小的晶态或气态共存的新型玻璃。如首先出现的Vycor玻璃,及继而出现的乳浊玻璃、微晶玻璃和泡沫玻璃等。复合材料的出现和发展也制造和创造了若干玻璃和其他材料复合的新材料,例如金属玻璃、夹层玻璃、玻璃纤维增强水泥、玻璃钢等,微晶玻璃其实也可看做玻璃和陶瓷的复合。

(4)功能的变化玻璃已从单纯的透光材料和包装材料发展成具有光、电、磁和声等特性的材料玻璃本身也从早期的单纯材料发展为元件(如透镜、激光器件、超声延迟线料),近年来随着智能玻璃(smartglass)的发展,玻璃已跨进器件的时代。此外,由于生物玻璃的研究成功,玻璃已经从一种无生命的材料发展成为有机体的修补或替换材料。

特种玻璃的高温熔融法已从传统玻璃采用坩埚和池窑工艺制备法发展为电加热、高频感应加热、多层坩埚熔炼、高压真空熔炼、太阳炉熔炼、等离子火焰熔化以及激光熔化等多种手段。此外,制备玻璃的方法已有气相合成、真空蒸发和溅射、CVD和MOCVD等气相沉积、双辊急冷、低温合成、高能射线辐照以及目前发展相对较快的溶液-胶凝法等多种制备工艺。

.特种玻璃的分类(1)光学功能玻璃与玻璃窗、玻璃杯等传统玻璃一样是以“透明”为特征的特种玻璃中,以光学功能玻璃种类最多、用途最广。就其功能而言,光学功能玻璃主要包括光传导功能、激光发射功能、光记忆功能、光控制功能、非线性光学功能、感光及光调节功能、偏振光起偏功能等,由这些功能可以制备相应的特种玻璃。

(2)电磁功能玻璃电磁玻璃是通讯、能源以及生命科学等领域中不可缺少的电子材料和光电子材料。电磁功能主要包括导电性能、光电转换功能、声波延迟功能、电子发射功能、电磁波防护功能、磁性等。虽然就电学功能而言,大部分情况是晶体材料优于非晶体材料,但是晶体元件的尺寸太小,需要一些本身不具备特殊功能的基板给予支撑,这些基板对晶体材料能否发挥正常的电磁功能起着十分重要的作用,通常把这类材料也归属于电磁功能材料。

(3)热学功能玻璃热学功能对于元器件充分发挥其光学、电子学等功能起到十分重要的作用。热学功能主要有耐热冲击性、低膨胀性、导热性、隔热性和加热软化等,可以相应制备成低膨胀玻璃、低膨胀微晶玻璃、中空玻璃、加气玻璃、封接玻璃等。

(4)力学和机械功能玻璃力学特种玻璃具有比硬而脆、杨氏模量低又难以机械加工的普通玻璃更大的弹性模量、更高的硬度和韧性和更好的机械加工性能。由此,可以制备高杨氏模量氧氮玻璃、高韧性微晶玻璃、高韧性玻璃基复合材料和云母微晶玻璃。

(5)生物及化学功能玻璃生物及化学功能玻璃主要包括具有熔融固化、耐腐蚀、选择腐蚀、水溶性、杀菌、光化学反应、化学分离精制、生物活性、生物相容性、疾病治疗和降解性等功能的玻璃。根据这些功能制备的玻璃有放射性废料固化玻璃、抗碱玻璃、化学切削玻璃、抗菌杀菌玻璃、自浩玻璃、多孔玻璃、人工骨微晶玻璃、牙冠微晶玻璃、磁温缓释肥料、玻璃缓释饲料等。