功能材料課件

*

儲(chǔ)氫材料和磁性材料

*第一節(jié)儲(chǔ)氫材料

氫能源系統(tǒng)是作為一種儲(chǔ)量豐富、無公害的能源替代品而倍受重視。如果以海水制氫作為燃料，從原理上講，燃燒后只能生成水，這對(duì)環(huán)境保護(hù)極為有利；*如果進(jìn)一步用太陽能以海水制氫，則可實(shí)現(xiàn)無公害能源系統(tǒng)。此外，氫還可以作為貯存其他能源的媒體，通過利用過剩電力進(jìn)行電解制氫，實(shí)現(xiàn)能源貯存。*在以氫作為能源媒體的氫能體系中，氫的貯存與運(yùn)輸是實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵。貯氫材料就是作為氫的貯存與運(yùn)輸媒體而成為當(dāng)前材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)項(xiàng)目。*貯氫材料(Hydrogenstoragematerials)是在通常條件下能可逆地大量吸收和放出氫氣的特種金屬材料。*

貯氫材料的作用相當(dāng)于貯氫容器。

貯氫材料在室溫和常壓條件下能迅速吸氫(H2)并反應(yīng)生成氫化物，使氫以金屬氫化物的形式貯存起來，在需要的時(shí)候，適當(dāng)加溫或減小壓力使這些貯存著的氫釋放出來以供使用。*貯氫材料中，氫密度極高，下表列出幾種金屬氫化物中氫貯量及其他氫形態(tài)中氫密度值。*(1)相對(duì)氫氣瓶重量從表中可知，金屬氫化物的氫密度與液態(tài)氫、固態(tài)氫的相當(dāng)，約是氫氣的1000倍。*

另外，一般貯氫材料中，氫分解壓較低，所以用金屬氫化物貯氫時(shí)并不必用101.3MPa(1000atm)的耐壓鋼瓶。*可見，利用金屬氫化物貯存氫從容積來看是極為有利的。但從氫所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來看，仍比液態(tài)氫、固態(tài)氫低很多，尚需克服很大困難，尤其體現(xiàn)在對(duì)汽車工業(yè)的應(yīng)用上。*

當(dāng)今汽車工業(yè)給環(huán)境帶來惡劣的影響，因此汽車工業(yè)一直期望用以氫為能源的燃料電池驅(qū)動(dòng)的環(huán)境友好型汽車來替代。*對(duì)于以氫為能源的燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車來說，不僅要求貯氫系統(tǒng)的氫密度高，而且要求氫所占貯氫系統(tǒng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高(估算須達(dá)到(H)=6.5％)，當(dāng)前的金屬氫化物貯氫技術(shù)還不能滿足此要求。因此，高容量貯氫系統(tǒng)是貯氫材料研究中長(zhǎng)期探求的目標(biāo)。*

貯氫材料的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用研究始于20世紀(jì)60年代，1960年發(fā)現(xiàn)鎂(Mg)能形成MgH2，其吸氫量高達(dá)

(H)＝7.6％，但反應(yīng)速度慢。*1964年，研制出Mg2Ni，其吸氫量為

(H)=3.6％，能在室溫下吸氫和放氫，250℃時(shí)放氫壓力約0.1MPa，成為最早具有應(yīng)用價(jià)值的貯氫材料。*同年在研究稀土化合物時(shí)發(fā)現(xiàn)了LaNi5具有優(yōu)異的吸氫特性;1974年又發(fā)現(xiàn)了TiFe貯氫材料。LaNi5和TiFe是目前性能最好的貯氫材料。*（一）貯氫原理1、金屬與氫氣生成金屬氫化物的反應(yīng)2、金屬氫化物的能量貯存、轉(zhuǎn)換3、金屬氫化物的相平衡和熱力學(xué)*金屬和氫的化合物統(tǒng)稱為金屬氫化物。元素周期表中所有金屬元素的氫化物在20世紀(jì)60年代以前就已被探明，并被匯總于專著中。1、金屬與氫氣生成金屬氫化物的反應(yīng)*元素周期表中IA族元素(堿金屬)和IIA族元素(堿土金屬)分別與氫形成MH、MH2化學(xué)比例成分的金屬氫化物。*

金屬氫化物是白色或接近白色的粉末，是穩(wěn)定的化合物。這些化合物稱為鹽狀氫化物或離子鍵型氫化物，氫以H-離子狀態(tài)存在。*從IB族到IVB族的金屬氫化物，因是共價(jià)鍵性很強(qiáng)的化合物，稱為共價(jià)鍵型氫化物，例如:SiH4、CuH、AsH3等。這些化合物多數(shù)是低沸點(diǎn)的揮發(fā)性化合物，不能作貯氫材料用。*從IIIA族到VIII族的金屬氫化物，稱為金屬鍵型氫化物，它們是黑色粉末。其中，IIIA族、IVA族元素形成的氫化物比較穩(wěn)定(生成焓為負(fù)、數(shù)值大，平衡分解氫壓低)，如LaH3、TiH2氫化物。*

VA族元素也和氣體氫直接發(fā)生反應(yīng)，生成VH2、NbH2氫化物。在1atm下，這些氫化物的溫度在常溫附近，它們能夠是在常溫下貯藏釋放氫的材料。

VIA族到VIII族的金屬中，除Pd外，都不形成穩(wěn)定的氫化物，氫以H+形成固溶體。*各種金屬與氫反應(yīng)性質(zhì)的不同可以從氫的溶解熱數(shù)據(jù)中反映出來。下表是氫在各種金屬中的溶解熱

H數(shù)據(jù)。*氫在各種金屬中的溶解熱

H(kcal/mol)*可見IA-IVA族金屬的氫的溶解熱是負(fù)(放熱)的很大的值，稱為吸收氫的元素；

VIA--VIII族金屬顯示出正(吸熱)的值或很小的負(fù)值，稱為非吸收氫的元素；

VA族金屬剛好顯示出兩者中間的數(shù)值。*2、金屬氫化物的能量貯存、轉(zhuǎn)換

金屬氫化物可以作為能量貯存、轉(zhuǎn)換材料，其原理是：

金屬吸留氫形成金屬氫化物，然后對(duì)該金屬氫化物加熱，并把它放置在比其平衡壓低的氫壓力環(huán)境中使其放出吸留的氫，其反應(yīng)式如下：*

式中，M---金屬；MHn---金屬氫化物P---氫壓力；

H---反應(yīng)的焓變化放氫,吸熱吸氫,放熱反應(yīng)進(jìn)行的方向取決于溫度和氫壓力。*實(shí)際上，上式表示反應(yīng)過程具有化學(xué)能(氫)、熱能(反應(yīng)熱)、機(jī)械能(平衡氫氣壓力)的貯存和相互轉(zhuǎn)換功能。放氫,吸熱吸氫,放熱*

這種能量的貯存和相互轉(zhuǎn)換功能可用于氫或熱的貯存或運(yùn)輸、熱泵、冷氣暖氣設(shè)備、化學(xué)壓縮機(jī)、化學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)、氫的同位素分離、氫提純和氫汽車等。*放氫,吸熱吸氫,放熱由上面的反應(yīng)式可知，貯氫材料最佳特性是在實(shí)際使用的溫度、壓力范圍內(nèi)，以實(shí)際使用的速度，可逆地完成氫的貯藏釋放。*

實(shí)際使用的溫度、壓力范圍是根據(jù)具體情況而確定的。一般是從常溫到400℃，從常壓到100atm左右，特別是以具有常溫常壓附近的工作的材料作為主要探討的對(duì)象。*具有常溫常壓附近工作的純金屬的氫化物里，顯示出貯氫材料性能的有釩的氫化物(VH2)和鎂的氫化物(MgH2)。但是MgH2在純金屬中反應(yīng)速度很慢，沒有實(shí)用價(jià)值。*許多金屬合金與氫形成合金氫化物的反應(yīng)具有下式所示的可逆反應(yīng)。放氫,吸熱吸氫,放熱*

貯氫合金材料都服從的經(jīng)驗(yàn)法則是“貯氫合金是氫的吸收元素(IA—IVA族金屬)和氫的非吸收元素(VIA-VIII族金屬)所形成的合金”。如在LaNi5里L(fēng)a是前者，Ni是后者；在FeTi里Ti是前者，F(xiàn)e是后者。即，合金氫化物的性質(zhì)介于其組元純金屬的氫化物的性質(zhì)之間。*然而，氫吸收元素和氫非吸收元素組成的合金，不一定都具備貯氫功能。例如在Mg和Ni的金屬間化合物中，有Mg2Ni和MgNi2。Mg2Ni可以和氫發(fā)生反應(yīng)生成Mg2NiH4氫化物，而MgNi2在100atm左右的壓力下也不和氫發(fā)生反應(yīng)。*另外，作為L(zhǎng)a和Ni的金屬間化合物，除LaNi5外，還有LaNi，LaNi2等。

LaNi，LaNi2也能和氫發(fā)生反應(yīng)，但生成的La的氫化物非常穩(wěn)定，不釋放氫，反應(yīng)的可逆性消失了。*因此，作為貯氫材料的另一個(gè)重要條件是要存在與合金相的金屬成分一樣的氫化物相。例如LaNi5H6相對(duì)于LaNi5，Mg2NiH4相對(duì)于Mg2Ni那樣。*

總之，金屬(合金)氫化物能否作為能量貯存、轉(zhuǎn)換材料取決于氫在金屬(合金)中吸收和釋放的可逆反應(yīng)是否可行。*氫在金屬合金中的吸收和釋放又取決于金屬合金和氫的相平衡關(guān)系。

影響相平衡的因素為溫度、壓力和組成成分，這些參數(shù)就可用于控制氫的吸收和釋放過程。*

3、金屬氫化物的相平衡和熱力學(xué)

金屬-氫系的相平衡由溫度T、壓力p和組成成分c三個(gè)狀態(tài)參數(shù)控制。用溫度、壓力、成分組成二元直角坐標(biāo)可以完整地表示出金屬--氫系相圖。*在T--c面上的投影為溫度--成分圖(T--c圖)，在p--c面上的投影為壓力--成分圖(p--c圖)。下圖為M--H2系的典型的壓力--成分等溫曲線圖。*p1p2p3p1p2p3T1T2T3T1T2T3>>溫度n2n1ABCDpH2對(duì)應(yīng)一個(gè)M原子的氫原子數(shù)/n金屬--氫系理想的p--c圖

T1、T2、T3表示三個(gè)不同溫度下的等溫曲線。橫軸表示固相中的氫原子H和金屬原子M的比(H/M)，縱軸是氫壓。*溫度T1的等溫曲線中p和c的變化如下：T1保持不動(dòng)，pH2緩慢升高時(shí)，氫溶解到金屬中，H/M應(yīng)沿曲線AB增大。固溶了氫的金屬相叫做

相。達(dá)到B點(diǎn)時(shí)，

相和氫氣發(fā)生反應(yīng)生成氫化物相，即

相。p1p2p3p1p2p3T1T2T3T1T2T3>>溫度n2n1ABCDpH2對(duì)應(yīng)一個(gè)M原子的氫原子數(shù)/n*當(dāng)變到C點(diǎn)時(shí)，所有的

相都變?yōu)?/p>

相，此后當(dāng)再次逐漸升高壓力時(shí)，

相的成分就逐漸靠近化學(xué)計(jì)量成分。BC之間的等壓區(qū)域(平臺(tái))的存在可用Gibbs相律解釋。p1p2p3p1p2p3T1T2T3T1T2T3>>溫度n2n1ABCDpH2對(duì)應(yīng)一個(gè)M原子的氫原子數(shù)/n*設(shè)某體系的自由度為f，獨(dú)立成分?jǐn)?shù)為k，相數(shù)為p，它們的關(guān)系可表示為：

f=k-p+2該體系中獨(dú)立成分是M和H，即k=2，所以f＝4-p。*

(1)A

B氫的固溶區(qū)域，該區(qū)存在的相是

相和氣相，p＝2，所以f＝2。因而即使溫度保持一定，壓力也可變化。AB表示在溫度T1時(shí)氫的溶解度隨壓力變化的情況。p1p2p3p1p2p3T1T2T3T1T2T3>>溫度n2n1ABCDpH2對(duì)應(yīng)一個(gè)M原子的氫原子數(shù)/n*(2)B

C平臺(tái)的區(qū)域，該區(qū)存在的相是

相、

相和氣相，p=3，所以f＝1。在下面的反應(yīng)：p1p2p3p1p2p3T1T2T3T1T2T3>>溫度n2n1ABCDpH2對(duì)應(yīng)一個(gè)M原子的氫原子數(shù)/n放氫,吸熱吸氫,放熱完成之前，壓力為一定值。*若

相成分為n，

相成分為m，則在溫度T1時(shí)等壓區(qū)域里的反應(yīng)為：此時(shí)的平衡氫壓，即為金屬氫化物的平衡分解壓。平衡分解壓隨溫度上升呈指數(shù)函數(shù)增大。達(dá)到臨界溫度以前，隨溫度上升平臺(tái)的寬度逐漸減小。*(3)C

D氫化物相的不定比區(qū)域，該區(qū)存在的相是

相和氣相，p＝2，所以f＝2，壓力可再一次發(fā)生變化。p1p2p3p1p2p3T1T2T3T1T2T3>>溫度n2n1ABCDpH2對(duì)應(yīng)一個(gè)M原子的氫原子數(shù)/n*

反應(yīng)平衡氫壓p與溫度之間，在一定的溫度范圍內(nèi)近似地符合Van't--Hoff關(guān)系式：式中H---金屬氫化物的生成焓；S---熵變量；R---氣體常數(shù)。對(duì)于反應(yīng)式:*若相對(duì)于l/T繪制lnp圖，則應(yīng)得到一條直線。對(duì)各種金屬氫化物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行作圖，一般可得到良好的直線關(guān)系，如下圖所示。*平衡氫壓／Mpa各種貯氫合金的平衡氫壓與溫度的關(guān)系(Mm為混合稀土合金)

由直線的斜率可求出

H，由直線在lnp軸上的截距可求出

S。*300K時(shí)，氫氣的熵值為31cal/K.mol.H2，與之相比，金屬氫化物中氫的熵值較小，即式：向右反應(yīng)的熵減少。所有的金屬氫化物一般都有可視為S＝30cal/k.mol.H2。*設(shè)常溫下金屬氫化物的氫分解壓變化范圍為0.01~1MPa，從式：可得出

H為-7~-11kcal/mol·H2。*

氫化物生成焓

H為-7～-11kcal/mol·H2的金屬僅有V族金屬元素中的V、Nb、Ta等，因其氫化物在室溫附近的氫分解壓很低而不適于做貯氫材料。*

圖中所示的氫合金，其合金組分在與氫氣反應(yīng)時(shí)，有些是放熱的(多為IA--IVA族元素)，有些是吸熱的(多為VIA-VIII族元素)。平衡氫壓／Mpa各種貯氫合金的平衡氫壓與溫度的關(guān)系(Mm為混合稀土合金)*

金屬間化合物中，放熱型金屬組分的作用是借助它與氫牢固結(jié)合，將氫吸貯在金屬內(nèi)部；與氫無親和力的吸熱型金屬，使合金的氫化物具有適度的氫分解壓。另外，金屬間化合物生成熱的大小對(duì)形成氫化物時(shí)的生成焓大小有一定的影響。*設(shè)ABn(n＞1)型金屬間化合物中，A為放熱型金屬，B為吸熱型金屬，伴隨著氫化物的生成，形成A--H鍵與B--H鍵，同時(shí)，A--B鍵減少。如應(yīng)用最近鄰效應(yīng)(nearestneighboreffect)近似法，則氫化物的生成熱可用下式表示：

H(ABnH2m)＝

H(AHm)+

H(BnHm)-

H(ABn)*式中，AHm的生成熱為很大的負(fù)值；BnHm的生成熱為較小的正值。其中這兩項(xiàng)與金屬元素種類的關(guān)系不大，故ABnH2m的生成熱實(shí)際上由ABn的生成熱大小決定。

H(ABnH2m)＝

H(AHm)+

H(BnHm)-

H(ABn)*即ABn越穩(wěn)定，則ABnH2m越不穩(wěn)定，氫化物的分解壓越高，這種規(guī)律稱為逆穩(wěn)定規(guī)則（theruleofreversedstability)。具有最佳分解壓的二元素貯氫合金有LaNi5，TiFe，TiMn1.5等。

H(ABnH2m)＝

H(AHm)+

H(BnHm)-

H(ABn)*(二)儲(chǔ)氫材料應(yīng)具備的條件

①易活化，氫的吸儲(chǔ)量大；②用于儲(chǔ)氫時(shí)生成熱盡量小，而用于蓄熱時(shí)生成熱盡量大；③在一個(gè)很寬的組成范圍內(nèi)，應(yīng)具有穩(wěn)定合適的平衡分解壓(室溫分解壓2~3atm)；*

④氫吸收和分解過程中的平衡壓差(滯后)?。虎輾涞姆@和釋放速度快；⑥金屬氫化物的有效熱導(dǎo)率大；*

⑦在反復(fù)吸、放氫的循環(huán)過程中，合金的粉化小，性能穩(wěn)定性好；⑧對(duì)不純物如氧、氮、CO、CO2、水分等的耐中毒能力強(qiáng)；⑨儲(chǔ)氫材料價(jià)廉。

*(三)影響儲(chǔ)氫材料吸儲(chǔ)能力的因素

①活化處理制造儲(chǔ)氫材料時(shí)，表面被氧化物覆蓋及吸附著水和氣體等會(huì)影響氫化反應(yīng)，采用加熱減壓脫氣或高壓加氫處理。*

②耐久性和中毒

耐久性是指儲(chǔ)氫材料反復(fù)吸儲(chǔ)的性質(zhì)。向儲(chǔ)氫材料供給新的氫氣時(shí)帶入的不純物使吸儲(chǔ)氫的能力下降稱為“中毒”。

③粉末化

在吸儲(chǔ)和釋放氫的過程中，儲(chǔ)氫材料反復(fù)膨脹和收縮，從而導(dǎo)致出現(xiàn)粉末現(xiàn)象。*④儲(chǔ)氫材料的導(dǎo)熱性在反復(fù)吸儲(chǔ)和釋放氫的過程中，形成微粉層使導(dǎo)熱性能很差，氫的可逆反應(yīng)的熱效應(yīng)要求將其及時(shí)導(dǎo)出。⑤滯后現(xiàn)象和坪域用于熱泵系統(tǒng)的儲(chǔ)氫材料，滯后現(xiàn)象應(yīng)小，坪域宜寬。⑥安全性*(四)儲(chǔ)氫材料的種類

①鎂系合金②稀土系合金③鈦系合金④鋯系合金*①鎂系合金鎂在地殼中藏量豐富。MgH2是唯一一種可供工業(yè)利用的二元化合物，價(jià)格便宜，而且具有最大的儲(chǔ)氫量。MgH2缺點(diǎn)：釋放溫度高且速度慢，抗腐蝕能力差。*

新開發(fā)的鎂系吸氫合金Mg2Ni1-xMx(M=V，Cr，Mn，F(xiàn)e，Co)和Mg2-xMxNi(Al，Ca)比MgH2的性能好。*

鎂系吸氫合金的潛在應(yīng)用在于可有效利用250～400℃的工業(yè)廢熱，工業(yè)廢熱提供氫化物分解所需的熱量。目前，Mg2Ni

系合金在二次電池負(fù)極方面的應(yīng)用已成為一個(gè)重要的研究方向。*②稀土系合金人們很早就發(fā)現(xiàn)，稀土金屬與氫氣反應(yīng)生成稀土氫化物REH2，這種氫化物加熱到1000℃以上才會(huì)分解。而在稀土金屬中加入某些第二種金屬形成合金后，在較低溫度下也可吸放氫氣，通常將這種合金稱為稀土貯氫合金。*在已開發(fā)的一系列貯氫材料中，稀土系貯氫材料性能最佳，應(yīng)用也最為廣泛。

稀土系貯氫材料的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到能源、化工、電子、宇航、軍事及民用各個(gè)方面。*例如，用于化學(xué)蓄熱和化學(xué)熱泵的稀土貯氫合金可以將工廠的廢熱等低質(zhì)熱能回收、升溫，從而開辟出了人類有效利用各種能源的新途徑。*利用稀土貯氫材料釋放氫氣時(shí)產(chǎn)生的壓力，可以用作熱驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力；采用稀土貯氫合金可以實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、輸出功率大，可用于制動(dòng)器升降裝置和溫度傳感器。*典型的貯氫合金LaNi5是1969年荷蘭菲利浦公司發(fā)現(xiàn)的，從而引發(fā)了人們對(duì)稀土系儲(chǔ)氫材料的研究。*以LaNi5

為代表的稀土儲(chǔ)氫合金被認(rèn)為是所有儲(chǔ)氫合金中應(yīng)用性能最好的一類。

優(yōu)點(diǎn)：初期氫化容易，反應(yīng)速度快，吸-放氫性能優(yōu)良。20℃時(shí)氫分解壓僅幾個(gè)大氣壓。

缺點(diǎn)：鑭價(jià)格高，循環(huán)退化嚴(yán)重，易粉化。*采用混合稀土(La，Ce，Sm)Mm替代La可有效降低成本，但氫分解壓升高，滯后壓差大，給使用帶來困難。采用第三組分元素M(Al，Cu，F(xiàn)e，Mn,Ga，In，Sn，B，Pt，Pd，Co，Cr，Ag，Ir)替代部分Ni是改善LaNi5和MmNi5儲(chǔ)氫性能的重要方法。*③鈦系合金Ti-Ni：TiNi，Ti2Ni，TiNi-Ti2Ni，Ti1-yZryNix，TiNi-Zr7Ni10，TiNiMmTi-Fe：

價(jià)廉，儲(chǔ)氫量大，室溫氫分解壓只有幾個(gè)大氣壓，很合乎使用要求。但是活化困難，易中毒。*Ti-Mn：粉化嚴(yán)重，中毒再生性差。添加少量其它元素(Zr,Co,Cr,V)可進(jìn)一步改善其性能。其中，TiMn1.5Si0.1，Ti0.9Zr0.2Mn1.40Cr0.4

具有很好的儲(chǔ)氫性能。另外，四、五元合金也是發(fā)展的方向。

*④鋯系合金

鋯系合金具有吸氫量高，反應(yīng)速度快，易活化，無滯后效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，氫化物生成熱大，吸放氫平臺(tái)壓力低，價(jià)貴，限制了它的應(yīng)用。

AB2→ZrV2，ZrCr2，ZrMn2

儲(chǔ)氫量比AB5型合金大，平衡分解壓低。*Zr(Mn，Ti，F(xiàn)e)2和Zr(Mn，Co，Al)2合金適合于作熱泵材料。Ti17Zr16Ni39V22Cr7

已成功用于鎳氫電池，有寬廣的元素替代容限，設(shè)計(jì)不同的合金成分用來滿足高容量，高放電率，長(zhǎng)壽命，低成本不同的要求。*(五)貯氫材料的應(yīng)用

氫與金屬間化合物在生成金屬氫化物和釋放氫的過程中，可以產(chǎn)生以下功能：(1)有熱的吸收和釋放現(xiàn)象，氫可作為一種化學(xué)能加以利用；(2)熱的釋放與吸收也可作為一種熱力功能加以利用；*(3)在一密封容器中，金屬氫化物所釋放出氫的壓力與溫度有一定關(guān)系，利用這種壓力可做機(jī)械功；(4)金屬氫化物在吸收氫過程中還伴隨著電化學(xué)性能的變化，可直接產(chǎn)生電能，這就是電化學(xué)功能。*充分利用這化學(xué)、機(jī)械、熱、電四大功能，可以開發(fā)新產(chǎn)品；同時(shí)，吸、放氫多次后，金屬氫化物會(huì)自粉碎成細(xì)粉，表面性能非?；顫姡米鞔呋瘎┖苡袧摿?，這種表面效應(yīng)功能也很有開發(fā)前途。*

金屬氫化物貯氫材料的應(yīng)用領(lǐng)域很多，而且還在不斷發(fā)展之中，下面介紹貯氫材料應(yīng)用的幾個(gè)主要方面。*1、高容量貯氫器用高貯氫量的貯氫材料以及高強(qiáng)鋁合金貯罐，從工藝上降低成本，減輕重量，這種高容量貯氫器可在氫能汽車、氫電動(dòng)車、氫回收、氫凈化、氫運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。*利用貯氫材料吸收氫的特性，可從氯堿、合成氨的工業(yè)廢氣中回收氫；可方便而廉價(jià)地獲取超高純H2(99.9999％)，實(shí)現(xiàn)氫的凈化；還可將難與氫分離的氣體，如氦經(jīng)濟(jì)地分離出來，無須慣用的深冷方法而實(shí)現(xiàn)氫的分離；*可用于吸收核反應(yīng)堆的重水慢化器及冷卻器中產(chǎn)生的氫、氖、氚等氫同位素，以避免核反應(yīng)器材料的氫脆和防止環(huán)境污染，對(duì)吸收的氫同位索還可以利用貯氫材料的氫化物與氘化物平衡壓力的差異、經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)氫氘分離，即氫的同位素分離。*2、靜態(tài)壓縮機(jī)利用氫化物的平衡壓力隨溫度指數(shù)變化的規(guī)律，室溫下吸氫，然后提高溫度以使氫壓大幅度提高，同時(shí)使氫凈化。這樣不用機(jī)械壓縮即可制高壓氫，所用設(shè)備簡(jiǎn)單，無運(yùn)轉(zhuǎn)部件，無噪聲，用于此目的貯氫合金稱為靜態(tài)壓縮機(jī)。*3、熱泵利用貯氫材料的熱效應(yīng)和平臺(tái)壓力的溫度效應(yīng)，只需用低品位熱源如工業(yè)廢熱、太陽能作能源，即可進(jìn)行供熱、發(fā)電、空調(diào)和制冷。過去一股為2段式熱泵，1次升溫，現(xiàn)發(fā)展成3段式熱泵，2次升溫，可使65~90℃廢熱水升溫至130℃或更高，可直接用于產(chǎn)生蒸氣再發(fā)電，并可充分利用環(huán)境熱，制成新型空調(diào)器和冰箱，可節(jié)能80％。*金屬氫化物熱泵的推廣與金屬氫化物成本和熱交換器的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。日本最近提出的一種機(jī)械壓縮機(jī)與金屬氮化物聯(lián)動(dòng)式熱泵，它只用一種廉價(jià)的金屬氫化物(如TiFe等)與一臺(tái)無油壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)氫的吸入，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，降低成本。*4、用作催化劑貯氫材料可用作加氫和脫氫反應(yīng)的催化劑，如LaNi5、TiFe用作常溫常壓合成氨催化劑、電解水或燃料電池上的催化劑。它可降低電解水時(shí)的能耗，提高燃料電池的效率。*放電充電5、發(fā)展鎳氫電池出于鎘有毒，鎳鎘高容量可再充式電池因廢電池處理復(fù)雜已處于被淘汰的階段。因此金屬氫化物鎳氫電池發(fā)展迅速，基本化學(xué)過程是：*如以貯氫材料作電極材料，則放電時(shí)從貯氫材科中放出氫，充電時(shí)則反之，對(duì)于TiCrVNi、TiNi等最高貯氫量可達(dá)260cm3/g的材料、放電量可比鎳鎘電池高1.8倍，可充放電1000次以上。這類電池在宇航、手提式電子計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、電動(dòng)汽車等行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。*燃料電池是一種使燃料氧化時(shí)釋放出的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置。電極由多扎材料和催化劑組成、常用的燃料有氫氣、甲醇等，氧化劑一般為氧氣或空氣，*常用的電解質(zhì)有磷酸、氫氧化鉀及離子交換膜等與一般化學(xué)電池不同，其反應(yīng)物質(zhì)貯存于電池外部，只要不斷地向電池供應(yīng)燃料和氧化劑，同時(shí)從電池中排出反應(yīng)產(chǎn)物，電池就可連續(xù)工作，因而容量不受電池質(zhì)量和體積的限制。*與其他發(fā)電裝置相比，燃料電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、無噪聲、無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。用金屬氫化物作電極，結(jié)合固體聚合物電解質(zhì)(solidPolymerelectrolyte，SPE)可以發(fā)展新型高效燃料電池，獲效率可高達(dá)60%以上。燃料電池可作為大型電站和貯電站的建設(shè)，即電網(wǎng)低峰時(shí)用余電電解水制氫，高峰用電時(shí)則通過燃料電池產(chǎn)電。*

6、溫度傳感器、控制器貯氫材料的氫平衡壓隨溫度升高而升高的效應(yīng)可以用作溫度計(jì)。從貯氫努材料的p-T曲線找到p與T的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將小型貯氫器上的壓力表盤改為濕度指示盤、經(jīng)校正后即可制成溫度指示器，這種溫度計(jì)體積小，不怕震動(dòng)，而且還可以通過毛細(xì)管在較遠(yuǎn)的距離上精確測(cè)定溫度。這種溫度計(jì)已廣泛用于各種飛機(jī)。*貯氫材料的溫度壓力效應(yīng)還可以用作機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的激發(fā)器、控制格和動(dòng)力源、其特點(diǎn)是沒有旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)部件，因此反應(yīng)靈敏、便于護(hù)制、反彈和振動(dòng)小，還可用于抑制溫度的各種開關(guān)裝置。此外，金屬氫化物貯氫材料還可以用作吸氣劑，絕熱采油管，微型壓縮致冷器等。*在貯氫材料的實(shí)際應(yīng)用中尚存在以下問題：(1)貯氫材料的粉化。由于貯氫材料在吸氫時(shí)晶格膨脹，放氫時(shí)晶格收縮、如反復(fù)吸收氫，則材料可因反復(fù)形變而逐漸變成粉末。細(xì)粉末狀態(tài)的貯氫材料在放氫時(shí)，不僅將導(dǎo)致氫氫流勸受阻，而且還可能隨氫氣流排到外部而引起公害。*(2)貯氫材料的傳熱問題。從貯氫材料中放出氫或進(jìn)行氫化，共速度比較快，溫升較高但由于貯氫材料的導(dǎo)熱性很差(一般只有1w/m.℃，與玻璃接近)，不容易使熱效應(yīng)有效地傳遞出來，因此有必要從技術(shù)上給予解決。(3)在氫吸留與放出時(shí)存在滯后作用，有時(shí)p-c曲線的水平段不平直，這些都是有效率下降的原因。*(六)貯氫材料應(yīng)用的工程技術(shù)的新進(jìn)展在貯氫材料的實(shí)際應(yīng)用中，有一系列工程技術(shù)問題需要及時(shí)解決以推動(dòng)工藝應(yīng)用的發(fā)展。*1、無電鍍銅及成型新技術(shù)針對(duì)貯氫材料導(dǎo)熱性差，加入良導(dǎo)體作骨架(如鋁纖維等)可改善導(dǎo)熱性為了防止貯氫材料的粉化，在貯氫材料表面鍍銅是有效方法之一，即首先將貯氫材料粉碎至5~10um。再經(jīng)無電鍍銅技術(shù)，在顆粒表面涂上一層金屬銅，并在一定壓力下加壓成型，這樣就可制成導(dǎo)熱性好、又能防止不斷粉化的塊狀復(fù)合體。此法的成本較高。*2、有機(jī)載體和貯氫材料的漿料技

將一種有機(jī)液體(如四氫呋喃等)與貯氫材料混合成均勻漿料，用作熱交換器工作介質(zhì)，可增加其導(dǎo)熱性，實(shí)現(xiàn)流態(tài)化。*3、薄膜技術(shù)為消除放氫時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)變，可將貯氫材料制成薄膜。薄膜與氫反應(yīng)的實(shí)際表面積大為增加，反應(yīng)速度也就大大加快，在充電式電池或作為催化劑的應(yīng)用中，以及內(nèi)貯氫材料組成的燃料電池中，均有重要作用。*4、平板式熱交換器新技術(shù)在研制由貯氫材料組成的熱泵和壓縮機(jī)的過程中。可以制成平板式或其他更高效的熱交換器，使整個(gè)裝置更緊湊，效率也可得到提高。*5、貯氫材料制備的發(fā)展貯氫材料的性能成本直接影響到它的應(yīng)用和推廣。從成本來看，應(yīng)用Fe-Ti系合金是很有的途的，所以人們對(duì)改善這種合金性能進(jìn)行了大量研究，開發(fā)不需活化處理的Fe-Ti系合金*例如日本研制出在m(Ti/Fe)>1的合金基體中加入少量Nb或O而制成的合金不需活化處理，和LaNi5一樣使用十分方便。采用鋁熱還原法直接從鈦鐵礦制取鐵鈦系貯氫材料可使其成本進(jìn)一步大幅度降低，有利于推廣。高容量貯氫材料也是應(yīng)用中渴求的，日本發(fā)展出“熔融態(tài)貯氫材料”，在室溫條件下吸放量可能性達(dá)

(H)=6％，而且成本較低。*除金屬氫化物體系之外，其他具有高容量貯氫能力的貯氫材料也在發(fā)展中。最新理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，單壁納米碳管可貯氫

(H)＝10％，而更令人吃驚的是具有某種特殊結(jié)構(gòu)的納米纖維貯氫能力可高達(dá)

(H)=65％，遠(yuǎn)超過其理論預(yù)測(cè)貯量；*具有超級(jí)貯氫能力材料的機(jī)理與科學(xué)基礎(chǔ)尚屬未知，并且常規(guī)的表面相互作用理論完全不能解釋這種材科的超級(jí)貯氫能力。深入的研究探索可能導(dǎo)致常規(guī)吸附理論的革命。因此，這些具有超級(jí)貯氫能力的材料的突破性發(fā)現(xiàn)不僅在應(yīng)用方面非常重要，而且有著重要的科學(xué)意義。*第二節(jié)磁性材料具有強(qiáng)磁性的材料稱為磁性材料。

磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)或改變能量狀態(tài)的功能，是重要的功能材料。磁性材料廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化、音像、電視、儀器和儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物與醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域。*⑴磁性材料的分類①按化學(xué)組成分類金屬磁性材料、非金屬(鐵氧體)磁性材料②按磁化率大小分類順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性*③按功能分類軟磁材料、硬磁材料、半硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料、泡磁材料、磁光材料、磁記錄材料

*⑵磁化強(qiáng)度M

宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成。當(dāng)原子磁矩同向平行排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外顯示的磁性最強(qiáng)。當(dāng)原子磁矩紊亂排列時(shí)，宏觀磁體對(duì)外不顯示磁性。*宏觀磁體單位體積在某一方向的磁矩稱為磁化強(qiáng)度M：

M=∑

原子/V*⑶磁化率及磁導(dǎo)率

任何物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，除了外磁場(chǎng)H外，由于物質(zhì)內(nèi)部原子磁矩的有序排列，還要產(chǎn)生一個(gè)附加的磁場(chǎng)M。*在物質(zhì)內(nèi)部外磁場(chǎng)和附加磁場(chǎng)的總和稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B。B=o(H+M)o--真空磁導(dǎo)率

=M/H

--磁化率

=B/H

--磁導(dǎo)率

*①鐵磁性物質(zhì)具有極高的磁化率，磁化易達(dá)到飽和的物質(zhì)。如Fe，Co，Ni，Gd等金屬及其合金稱為鐵磁性物質(zhì)。磁矩的排列與磁性的關(guān)系鐵磁性

m=10-2~106磁場(chǎng)

⑷磁性的起源*②亞鐵磁性物質(zhì)磁矩的排列與磁性的關(guān)系亞鐵磁性

m=10-2~106磁場(chǎng)

如鐵氧體(M2+Fe23+O4)等，是一些復(fù)雜的金屬化合物，比鐵磁體更常見。它們相鄰原子的磁矩反向平行，但彼此的強(qiáng)度不相等，具有高磁化率和居里溫度。*③順磁性物質(zhì)存在未成對(duì)電子→永久磁矩。La，Pr，MnAl，F(xiàn)eSO4·7H2O，Gd2O3…；在居里溫度以上的鐵磁性金屬Fe,Co,Ni等。

居里溫度由鐵磁性或亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度稱為居里溫度(Tc)。順磁性

m=10-6~10-5磁場(chǎng)

磁矩的排列與磁性的關(guān)系*④

反磁性物質(zhì)不存在未成對(duì)電子→沒有永久磁矩。惰性氣體，不含過渡元素的離子晶體，共價(jià)化合物和所有的有機(jī)化合物，某些金屬和非金屬。磁矩的排列與磁性的關(guān)系反磁性

m=-10-5~-10-6磁場(chǎng)

*⑤反鐵磁性物質(zhì)FeO，F(xiàn)eF3，NiF3，NiO，MnO，各種錳鹽以及部分鐵氧體ZnFe2O4等，它們相鄰原子的磁矩反向平行，而且彼此的強(qiáng)度相等，沒有磁性。反鐵磁性

m=10-2~10-5磁場(chǎng)

磁矩的排列與磁性的關(guān)系*⑸磁性材料及其應(yīng)用

*

鐵磁體磁化到技術(shù)飽和以后，使它的磁化強(qiáng)度降低到零所需要的反向磁場(chǎng)稱為矯頑力。

磁滯回線B

剩磁Hc矯頑力*在較弱的磁場(chǎng)下易于磁化，也易于退磁的材料稱為軟磁材料。磁導(dǎo)率大，矯頑力小(Hc≤100A/m)，滯損耗低，磁滯回線呈細(xì)長(zhǎng)條形。

軟磁材料磁滯回線①軟磁材料*主要軟磁材料材料

Mn-Zn、Li-Zn鐵氧體、Ni-Zn、NiCuZn鐵氧體、MnFe2O4、

NiFe2O4*軟磁材料應(yīng)用

軟磁材料適用于交變磁場(chǎng)，可用來制造各種發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子；變壓器，電感器，電抗器，繼電器和鎮(zhèn)流器的鐵芯；計(jì)算機(jī)磁芯；磁記錄的磁頭與介質(zhì)；磁屏蔽；電磁鐵的鐵芯。*

磁化后不易退磁，而能長(zhǎng)期保留磁性的鐵氧體材料稱為硬磁材料，因而也稱永磁材料或恒磁材料。磁滯回線包圍面積大，(Hc≥400A/m)矯頑力大。硬磁材料磁滯回線②硬磁材料*永磁材料的應(yīng)用

主要是利用磁體在氣隙產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)，利用磁極與磁極的相互作用，磁場(chǎng)對(duì)帶電物體或粒子或載電流導(dǎo)體的相互作用來做功，或?qū)崿F(xiàn)能量，信息的轉(zhuǎn)換。*矩磁材料磁滯回線③矩磁材料磁滯回線近似矩形的磁性材料，結(jié)晶各向異性，應(yīng)力各向異性。

*常用的矩磁材料

在常溫使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系，(Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65℃~+125℃較寬范圍使用的矩磁鐵氧體有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等。*矩磁材料的應(yīng)用矩磁材料的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br接近于飽和值Bm，矯頑力不大。若矩磁材料在不同方向磁場(chǎng)下磁化，當(dāng)電流為零時(shí)，總是處于+Bm和-Bm

兩種不同的剩磁狀態(tài)。*由于計(jì)算機(jī)采用兩進(jìn)制，即只有“0”和“1”兩個(gè)數(shù)碼，所以采用這種材料的兩種剩磁狀態(tài)+Bm和-Bm就可以分別代表兩個(gè)數(shù)碼，起到記憶作用。因此矩磁材料適于做信息存儲(chǔ)元件的磁性開關(guān)。*④壓磁材料在磁化時(shí),長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生伸長(zhǎng)或縮短變化的材料稱為壓磁材料。這種材料具有電磁能與機(jī)械能或聲能的相互轉(zhuǎn)換功能，是重要的磁功能材料之一。傳統(tǒng)磁致伸縮材料、Fe，Co，Ni基合金及鐵氧體、稀土磁致伸縮材料REFe2*壓磁材料的應(yīng)用制作超聲發(fā)聲器、接受器、超聲探傷器、超聲鉆頭、超聲焊接器、濾波器、穩(wěn)頻器、諧波發(fā)聲器、振蕩器、微波檢波器以及聲納、回聲探測(cè)儀等。

*⑤旋磁材料能使作用于它的電磁波發(fā)生一定角度偏轉(zhuǎn)的材料稱為旋磁材料。

旋磁材料基本上是鐵氧體磁性材料，一般叫微波鐵氧體材料。*旋磁材料

Mg-Mn，Mg-Mn-Al，Mg-Al，Mg-Al，Mg-Cr，Ni-Mg，Ni-Zn，Ni-Al，Ni-Cr鐵氧體，Li-Al，Li-Mg鐵氧體等。

*旋磁材料的應(yīng)用用于與輸送微波的波導(dǎo)管或傳輸線等組成的各種微波器件，主要用于雷達(dá)、通訊、導(dǎo)航、遙測(cè)、遙控等電子設(shè)備中。*

功能玻璃

由于原子能、電子工業(yè)、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、激光等近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及國(guó)防工業(yè)的需要，玻璃材料和其他無機(jī)非金屬材料一樣，發(fā)展非常迅速。*

功能玻璃是指與傳統(tǒng)玻璃結(jié)構(gòu)不同的、有某一方面獨(dú)特性能的、有專門用途的、或者制造工藝有明顯差別的一些新品種“玻璃”。*

功能玻璃近年來發(fā)展迅速，它除了具有普通玻璃的一般性質(zhì)以外，還具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，如磁光玻璃的磁--光轉(zhuǎn)換功能、聲光玻璃的聲光特性、導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電性、記憶玻璃的記憶特性等。*新型功能玻璃材料的開發(fā)主要依賴于如CVD、PVD、等離子濺射、溶膠凝膠、材料復(fù)合等各種高新技術(shù)、新工藝在玻璃制造中的巧妙運(yùn)用。*隨著材料制備手段的不斷提高和發(fā)展，新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)，玻璃材料的開發(fā)日新月異，具有各種探索性能的玻璃不斷的涌現(xiàn)出來。

新型功能玻璃就是采用高純?cè)?、新型技術(shù)、新的制備方法或在特殊的條件下形成的具有某種特殊功能的玻璃或無機(jī)非晶態(tài)材料。*

新型功能玻璃與通常玻璃相比具有許多明顯的特征，主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：(1)玻璃化方面；(2)成型方面；(3)在加工方面；(4)在用途方面。*(1)玻璃化方面

通常玻璃是在大氣中進(jìn)行熔融而制得的，而新型功能玻璃是采用超急冷法、溶膠--凝膠法、PVD法、CVD法以及特種氣氛等方法而制得的；*

(2)成型方面

通常玻璃主要產(chǎn)品是板材、管材、成瓶、成纖等，而新型功能玻璃則是微粉末、薄膜、纖維狀等；*(3)在加工方面

通常玻璃采用燒制、研磨、急冷強(qiáng)化等方法，而新型功能玻璃則采用結(jié)晶化、離子交換法、分子濺射、分相、微細(xì)加工技術(shù)等；*

(4)在用途方面

通常玻璃主要用于建筑、容器、光學(xué)制品等，而新型功能玻璃主要用于光電子、光信息情報(bào)處理、傳感顯示、精密機(jī)械以及生物工程等領(lǐng)域。*

新型功能玻璃按照玻璃的功能可劃分為：

微晶玻璃、光導(dǎo)纖維玻璃、激光玻璃、光色玻璃、半導(dǎo)體玻璃、非線性光學(xué)玻璃、磁功能玻璃、生物玻璃、機(jī)械功能玻璃以及功能玻璃薄膜等。*第一節(jié)微晶玻璃微晶玻璃是指通過玻璃熱處理來控制晶體的生長(zhǎng)發(fā)育而獲得的一種多晶材料。它既有玻璃的基本性能，也有陶瓷多晶體的特征。*將加有成核劑的特定組成的基礎(chǔ)玻璃，在一定溫度下熱處理后，就會(huì)變成具有微晶體和玻璃相均勻分布的復(fù)合材料。*

特殊性能的微晶玻璃材料，如零膨脹、高強(qiáng)度、可切削以及不同電性能的材料，可以通過下面兩種方法而制得：１、控制基質(zhì)玻璃成分的變化；２、控制析出晶相類型及微晶大小。*傳統(tǒng)的微晶玻璃為L(zhǎng)i2O--Al2O3--SiO2和MgO--Al2O3--SiO2系統(tǒng)，前者在玻璃中形成鋰輝石、石英固溶體，這些晶體具有負(fù)膨脹系數(shù)。通過熱處理，控制原始玻璃中的晶相及玻璃相的比例，可制成一系列從負(fù)到正膨脹系數(shù)的微晶玻璃。*若將晶體尺寸控制在一定范圍內(nèi)，則可制成透明或半透明材料。組成成分在Li2O--SiO2和Li2O--2SiO2區(qū)的微晶，利用晶體與玻璃對(duì)氫氟酸侵蝕性能的差別，通過光刻可以制成薄板電子元件。*

微晶玻璃的發(fā)現(xiàn)是玻璃材料發(fā)展史上的一個(gè)新的里程碑，它大大地豐富了玻璃結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容，同時(shí)也開發(fā)了數(shù)以千計(jì)的微晶玻璃新材料。

微晶玻璃作為先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料和高性能功能材料，在國(guó)防、運(yùn)輸、建筑、生產(chǎn)、科研及生活等領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。*

微晶玻璃的分類從外觀看，有透明微晶玻璃和不透明微晶玻璃；按微晶化原理分為光敏微晶玻璃和熱敏微晶玻璃；按照性能分為耐高溫、耐熱沖擊、高強(qiáng)度、耐磨、易機(jī)械加工、易化學(xué)蝕刻、耐腐蝕、低膨脹、零膨脹、低介電損失、強(qiáng)介電性、強(qiáng)磁性和生物相容等種類。*微晶玻璃按照用途分為，餐具微晶玻璃、航天微晶玻璃、建筑微晶玻璃和生物微晶玻璃等。微晶玻璃按基礎(chǔ)玻璃組成一般可分為硅酸鹽系統(tǒng)、鋁硅酸鹽系統(tǒng)、硼硅酸鹽系統(tǒng)、硼酸鹽系統(tǒng)及磷酸鹽系統(tǒng)等五大類；*按所用材料，微晶玻璃則分為技術(shù)微晶玻璃和礦渣微晶玻璃兩類；此外，還可按所含氧化物特點(diǎn)等方法分類。*一、微晶玻璃的性質(zhì)1．力學(xué)性質(zhì)2．熱學(xué)性質(zhì)3．化學(xué)穩(wěn)定性4．光學(xué)性質(zhì)5．電學(xué)性質(zhì)*1．力學(xué)性質(zhì)

(1)機(jī)械強(qiáng)度(2)硬度及耐磨性(3)彈性模量*

(1)機(jī)械強(qiáng)度

微晶玻璃的機(jī)械強(qiáng)度比一般玻璃、陶瓷材料以及某些金屬材料高得多。

抗壓強(qiáng)度為0.59~1.02GPa，抗彎強(qiáng)度為88.2~220.5MPa，抗張強(qiáng)度為49~137.2MPa；*

特殊的或增強(qiáng)的微晶玻璃，抗彎強(qiáng)度高達(dá)411.6~548.8MPa。微晶玻璃的抗沖擊強(qiáng)度為2.94~9.811MPa，是普通玻璃的l~2倍，但仍屬于脆性材料。*屬于高強(qiáng)度的微晶玻璃，有以下三種：Li2O—MgO--Al2O3--SiO2Li2O--ZnO--Al2O3--SiO2(BaO、PbO)--Al2O3--SiO2--TiO2系統(tǒng)。*當(dāng)高膨脹系數(shù)(9.0×10-6~10.0×10–6K-1，25~300℃)的微晶玻璃的表面被覆上比其膨脹系數(shù)小(1.0×

10–6~3.9×10–6K-1)的涂層后，可獲得很高的強(qiáng)度。*

(2)硬度及耐磨性

微晶玻璃硬度很高，具有突出的耐磨性能。其硬度高于高碳鋼、花崗巖，接近淬火工具鋼的硬度。維氏硬度5.9~9.3GPa。*屬于高硬度的微晶玻璃有以下三種系統(tǒng)：CaO--Al2O3--SiO2；MgO--BaO--Al2O3；CaO--TiO2--CeO2。*

(3)彈性模量

微晶玻璃的彈性模量一般為88~98GPa，泊松比為0.215～0.29。此外，微晶玻璃比鋁輕，密度值為2.4~2.6g·cm-3。*

2．熱學(xué)性質(zhì)

(1)熱膨脹系數(shù)；(2)熱穩(wěn)定性；(3)軟化溫度。*

(1)熱膨脹系數(shù)采用不同組成及熱處理方法，可以制得多種膨脹系數(shù)(膨脹系數(shù)值為-1.2×10-6~20.0×10-6

K-1)的微晶玻璃。*如以石英為主晶相的Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃，膨脹系數(shù)值為-4×

l0-7~4×l0-7K-1，最高使用溫度為800~850℃。由于這種微晶玻璃是透明的，所以可代替透明的石英玻璃。*以鋰輝石為主晶相的Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃，膨脹系數(shù)值為7×10-7~11×10-7K-1(25~300℃)，最高安全使用溫度為1170℃，燒至紅熱態(tài)投入水中也不破裂，用于制烹飪器皿等。*

(2)熱穩(wěn)定性

由于微晶玻璃膨脹系數(shù)值低，抗張強(qiáng)度高，所以具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。有的可以經(jīng)受100~150℃的溫度劇變而不破壞，有的還能在溫差高達(dá)400℃的條件下使用。*(3)軟化溫度由于微晶玻璃中含有大量晶體，所以在晶體熔化點(diǎn)以下時(shí)，其粘度幾乎與溫度沒有關(guān)系。當(dāng)晶體熔化后，其粘度顯著降低，故在微晶玻璃所含晶體的熔化溫度以下時(shí)，它有比一般玻璃高得多的使用溫度，其負(fù)荷軟化溫度為560~1340℃。*微晶玻璃在25～400℃時(shí)的比熱容為7.74×102~9.21×102J／(kg·K)。微晶玻璃的導(dǎo)熱性比較低，是熱絕緣材料。在25℃時(shí)，各種微晶玻璃的熱導(dǎo)率為0.796~4.19w.m-1.K-1*

3．化學(xué)穩(wěn)定性

微晶玻璃的耐酸耐堿性高于一般玻璃，大致同硼硅酸鹽玻璃相當(dāng)。對(duì)王水有非常高的穩(wěn)定性，僅有輕微的侵蝕。*例如:以石英為主晶相的微晶玻璃，在90℃時(shí)與15％HCl作用，經(jīng)24h，其侵蝕量為0.04％~0.05％，以鋰輝石為主晶相的微晶玻璃，其侵蝕量則為0.02％~0.03％。

*4．光學(xué)性質(zhì)

光敏微晶玻璃具有感光顯影性質(zhì)，可像一般照片的膠片一樣進(jìn)行曝光和顯影。以Au、Ag和Cu等金屬為成核劑的玻璃，可用鏤空?qǐng)D案的鉛皮、鐵片、照相底片等貼在玻璃表面，然后用紫外線照射進(jìn)行曝光。*曝光后的玻璃，加熱到高于退火溫度進(jìn)行熱處理。最終，紫外線照射的部分，被晶化或著色，而沒有被照射部分仍然透明或顏色不變，因此，所需的圖案就在玻璃中顯示出來。其中，熱處理過程也稱為顯影過程。*

5．電學(xué)性質(zhì)

(1)介電常數(shù)(2)介電損失系數(shù)*

(1)介電常數(shù)

一般玻璃的介電常數(shù)為4～20，最高的是40(25℃,1000Hz)。以BaTiO3、NaNbO3、PbTiO3為主晶相的強(qiáng)介電性微晶玻璃(BaO(PbO))--TiO2--Al2O3--SiO2，Na2O--Nb2O5--SiO2系統(tǒng)，其介電常數(shù)高于100。*一般微晶玻璃在高頻、高溫的條件下，也有很高的介電常數(shù)(5~10)。

溫度變化對(duì)微晶玻璃影響很小，在25~800℃間，其介電常數(shù)僅相差0.3％。*在高頻、高溫條件下，微晶玻璃擊穿電壓也非常高，一般為2.3×107~7.1×107V／m。無堿微晶玻璃MgO(BaO)~Al2O3·SiO2，其主晶相為堇青石，有良好的電絕緣性，其電阻率為l08.6

.cm。*

堇青石堇青石(Iolite)屬斜方晶系，化學(xué)式為Mg2Al4Si5O18，硬度為7.5~8，比重為2.57～2.61，折射率為1.542~1.551，斷口處呈油脂光澤。附*

堇青石的顏色很像藍(lán)寶石，但是，由于常含有水，所以又稱為水藍(lán)寶石。由于堇青石具有藍(lán)寶石的顏色及有光澤且價(jià)格便宜，因此更被戲稱為窮人家的藍(lán)寶石。堇青石的能量是相當(dāng)穩(wěn)定的，且不能以加熱的方式來改變它的顏色，是一種貨真價(jià)實(shí)的寶石。附*(2)介電損失系數(shù)在高溫、高頻條件下，微晶玻璃介電損失系數(shù)很低，某些微晶玻璃在1010Hz、500℃時(shí)介電損失系數(shù)值為0.010。*以BaTiO3、NaNbO3、PbTiO3為主晶相的強(qiáng)介電性微晶玻璃在25℃、1000Hz時(shí)的介電損失系數(shù)為0.008~0.025。*

二、微晶玻璃的核化、晶化與成核劑

微晶玻璃的微晶化包括以下幾個(gè)過程：(1)玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)生微調(diào)；(2)晶核的形成；(3)基本晶相的形成及生長(zhǎng)；(4)介穩(wěn)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定晶相及殘余玻璃。*(1)玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)生微調(diào)不改變玻璃態(tài)，但物理性能發(fā)生變化稱為“預(yù)晶化”，它主要是由近程有序向遠(yuǎn)程無序微調(diào)；*(2)晶核的形成激起基本結(jié)晶相的形成，這一過程是結(jié)晶的根本；*(3)基本晶相的形成及生長(zhǎng)

這一過程，使介穩(wěn)相接近于玻璃的組成；*(4)介穩(wěn)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定晶相及殘余玻璃。*以上四個(gè)過程，是由兩段熱處理完成：第一階段是玻璃結(jié)構(gòu)微調(diào)及晶核的形成；第二階段為均勻結(jié)晶，即核化處理及晶化處理。*

微晶玻璃結(jié)晶過程中的核化與晶化多數(shù)屬于非均相核化的類型。其基本原理是：加入玻璃配合料中的成核劑，在熔制過程中，均勻地溶解于玻璃熔融體中。當(dāng)玻璃處在析晶溫度區(qū)時(shí)，成核劑能降低晶核生成所需要克服的勢(shì)壘，從而核化可以在較低的溫度下進(jìn)行。*這種晶化類型的特點(diǎn)是核化與晶化在整個(gè)玻璃體內(nèi)均勻地進(jìn)行，新晶相在成核劑上附析長(zhǎng)大成為細(xì)小的晶體。微晶玻璃成核劑可分為貴金屬及氧化物兩大類。*

1．貴金屬成核劑常見的貴金屬成核劑有Au、Ag、Cu、Pt、Ru、Rh及Pd等；它們?cè)诓Ａе谐孰x子狀態(tài)、吸收電子后轉(zhuǎn)變?yōu)樵討B(tài)。*由于貴金屬成核劑在玻璃中溶解度較小，因此，它們以膠體形式析出，從而轉(zhuǎn)變成玻璃析晶的成核劑。其膠粒的大小一般為8~l0nm。*2．氧化物成核劑

常用的氧化物成核劑有TiO2、ZrO2和P2O5。它們易溶于硅酸鹽玻璃，配位數(shù)較高，并且陽離子的場(chǎng)強(qiáng)較大，在熱處理過程中，容易從硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)中分出，導(dǎo)致分相、結(jié)晶。*

ZrO2在玻璃熔體中(尤其是在低堿玻璃中)難以溶解。但當(dāng)它同P2O5共同使用時(shí)，則能顯著提高其溶解度，因而得到廣泛應(yīng)用。*

過渡元素的氧化物，如Cr2O3、Fe2O3、V2O5、NiO、MnO等也可作為成核劑，但由于它們能使玻璃著色，故較少采用。*

三、微晶玻璃基本生產(chǎn)過程微晶玻璃由于產(chǎn)品種類不同，其具體的工藝路線也各有特點(diǎn)。各種微晶玻璃共同的生產(chǎn)工藝流程如下：*所有上述工序中，熱處理是微晶玻璃生產(chǎn)的關(guān)鍵工序。配合料制備玻璃熔融成型加工微晶化處理再加工*微晶玻璃配方及生產(chǎn)工藝條件應(yīng)滿足下面的五個(gè)的要求：１、玻璃易熔制且不被污染；２、熔制及成型過程中不析晶：３、成型后的玻璃有良好的加工性能；４、微晶化處理時(shí)能迅速實(shí)現(xiàn)整體析晶：５、產(chǎn)品能滿足設(shè)計(jì)的理化性能要求。*

微晶玻璃生產(chǎn)工序中，熱處理是微晶玻璃生產(chǎn)的關(guān)鍵工序。因?yàn)槲⒕РＡУ慕Y(jié)構(gòu)取決于熱處理的溫度條件。*

微晶玻璃熱處理中，先后發(fā)生以下四個(gè)過程：分相晶核生成晶體生長(zhǎng)二次結(jié)晶生長(zhǎng)*結(jié)晶化熱處理過程圖熱處理溫度條件可以歸納為階梯型溫度處理和等溫型溫度處理兩種類型，如下圖所示：（a）階梯溫度制度（b）等溫溫度制度*1．階梯溫度處理階梯溫度處理一般采用分段的方式進(jìn)行。第一階段是在一定溫度下保溫，使玻璃中產(chǎn)生盡可能多的晶核；第二階段是在較高一些的溫度下，令晶體生長(zhǎng)，使基礎(chǔ)玻璃轉(zhuǎn)化為以微晶結(jié)構(gòu)為主的微晶玻璃。*多數(shù)微晶玻璃經(jīng)過兩個(gè)階段熱處理就完成了全部結(jié)晶化過程。有時(shí)，有些微晶玻璃也需要在更高的溫度下進(jìn)行第三次熱處理，才能得到所需設(shè)計(jì)的晶相。*低膨脹微晶玻璃熱處理過程圖例如，用Li2O--Al2O3--SiO2系統(tǒng)生產(chǎn)低膨脹微晶玻璃時(shí)，就要分三個(gè)階段熱處理才能得到不透明的制品，如下圖所示。*2．等溫處理某些系統(tǒng)的基礎(chǔ)玻璃，由于晶核形成的溫度區(qū)域與晶體生長(zhǎng)的溫度區(qū)域重疊。因此，在它們共同范圍中的某一溫度下，能同時(shí)進(jìn)行晶核形成和晶體生長(zhǎng)兩個(gè)過程。*當(dāng)基礎(chǔ)玻璃中的晶核形成和晶體生長(zhǎng)兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行時(shí)，可以采用等溫處理來進(jìn)行微晶化處理。熱處理時(shí)，應(yīng)注意選擇適當(dāng)?shù)木Щ俣?，以避免制品軟化變形或?yīng)力過大而破裂。*四、復(fù)相微晶玻璃傳統(tǒng)的微晶玻璃是通過高溫熔融獲得玻璃后再經(jīng)過熱處理得到的。隨著溶膠--凝膠科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微晶玻璃的研究領(lǐng)域也大大擴(kuò)展。*近年來，利用溶膠--凝膠方法獲得了一系列重要的微晶玻璃材料，尤其是在非線性光學(xué)、功能材料、電子材料等領(lǐng)域。這些新型的微晶玻璃展示了重要的應(yīng)用前景和特有的科學(xué)研究?jī)r(jià)值。*

復(fù)相微晶玻璃是在復(fù)相陶瓷的基礎(chǔ)上提出的，它是一類重要的具有獨(dú)特性能的新型微晶玻璃。從廣義上講，復(fù)相微晶玻璃是指微晶功能相同玻璃相之間通過相的復(fù)合，從而獲得具有一系列特殊性能的新型功能材料。*復(fù)相微晶玻璃按照功能相的不同進(jìn)行分類，主要有以下幾種。(1)金屬單質(zhì)復(fù)相微晶玻璃(2)氧化物半導(dǎo)體復(fù)相微晶玻璃(3)化合物半導(dǎo)體復(fù)相微晶玻璃(4)鐵電復(fù)相微晶玻璃

(5)鐵磁復(fù)相微晶玻璃*

(1)金屬單質(zhì)復(fù)相微晶玻璃傳統(tǒng)的典型金屬單質(zhì)微晶玻璃是光敏微晶玻璃。用溶膠--凝膠法將金屬單質(zhì)Au、Ag等在SiO2玻璃中均勻析出，形成的復(fù)相結(jié)構(gòu)的材料，具有獨(dú)特的光學(xué)性能和半導(dǎo)體特性，這種材料在壓敏、氣敏、濕敏等領(lǐng)域具有廣泛的潛在應(yīng)用。

*(2)氧化物半導(dǎo)體復(fù)相微晶玻璃以氧化物半導(dǎo)體如ZnO、CdO、FeO等過渡金屬氧化物與玻璃復(fù)合而形成的復(fù)相結(jié)構(gòu)，通常具有良好的電性能，這類材料在電壓敏等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

*(3)化合物半導(dǎo)體復(fù)相微晶玻璃以CdS、PbS、CdTe、Cd1-xHgxTe等II--IV族化合物，以及AlP等III--V族化合物半導(dǎo)體與玻璃復(fù)合能形成一類新型精細(xì)復(fù)合功能材料。這些材料在非線性光學(xué)、光致發(fā)光、場(chǎng)致發(fā)光等領(lǐng)域具有優(yōu)良的性能和良好的應(yīng)用前景。*(4)鐵電復(fù)相微晶玻璃很早人們采用熔融工藝開始研究鐵電微晶玻璃，主要包括BaTiO3，PbTiO3、NaNbO3等體系。利用該方法制備復(fù)相微晶玻璃主要集中在含有晶體取向的微晶玻璃的制備方面。

熔融工藝方法的主要有以下三個(gè)方面的缺點(diǎn)：*1、通常需要在1400~1600℃左右的溫度熔融，極大地限制了難熔組分和易揮發(fā)組分的使用。２、這種方法比較容易出現(xiàn)雜相，極易產(chǎn)生熱力學(xué)亞穩(wěn)晶相。*3、是功能晶相含量不能太高。這是因?yàn)?，首先要形成玻璃相，成分中必須有玻璃形成氧化物，而易形成鐵電相的組分往往又不是玻璃形成氧化物，而添加玻璃形成氧化物就必然降低鐵電相的含量，從而降低其性能。*用溶膠--膠法可以使BaTiO3、PbTiO3等高介電常數(shù)的鐵電相與玻璃相在很大范圍內(nèi)復(fù)合，形成具有鐵電性能的復(fù)合功能材料。*鐵電性能的復(fù)合功能材料，具有良好的介電頻率和介電溫度特性，它對(duì)研究鐵電體尺寸效應(yīng)，對(duì)制備高性能電介質(zhì)材料和微電子厚膜漿料等方而具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。*

(5)鐵磁復(fù)相微晶玻璃

鐵磁性微晶玻璃傳統(tǒng)工藝已有廣泛的研究，而用溶膠--凝膠法將納米MnFe2O4、NiFe2O4、ZnFe2O4、BiFeO3等鐵磁相和玻璃相復(fù)合是近年才引起重視的研究方向。*用溶膠--凝膠法形成的具有鐵磁性的功能材料，在磁光控制、吸波材料、微波器件等方面具有重要的應(yīng)用前景。*

(6)其他復(fù)相微晶玻璃將光變色晶相與玻璃復(fù)合形成的光致變色復(fù)相微晶玻璃；將光變色染料、激光染料等有機(jī)功能相與玻璃相復(fù)合形成性能優(yōu)良的非線性光學(xué)材料；*將有生物活性的功能晶相或者生物酶與玻璃相復(fù)合形成生物復(fù)相微晶玻璃，這些復(fù)相微晶玻璃把無機(jī)界與生物界聯(lián)系起來，從而開辟出一個(gè)新材料領(lǐng)域。*

五、微晶玻璃的應(yīng)用由于微晶玻璃具有許多優(yōu)良的性能，如密度小、質(zhì)地致密、沒有氣孔、不透水、不透氣、軟化溫度高、化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度及硬度高、電學(xué)性能優(yōu)良等，因此在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。*1．微晶玻璃裝飾板材(1)耐候性好，抗污染。由于天然石材均有一定的吸水性，這一特點(diǎn)將導(dǎo)致其滲水、滲堿，不能長(zhǎng)期抗大氣及雨水的污染，使污染物浸蝕石材表體，從而影響其原有的色澤。*而微晶玻璃板材則具有永不吸水特點(diǎn)，其豪華外觀不易受雨雪、風(fēng)沙氣候等污染及侵蝕，能全天候永保建筑物亮麗、壯觀的色彩和光澤。因此微晶玻璃板材耐候性好，抗污染，可大大降低建筑物維護(hù)保養(yǎng)成本。*(2)亮麗多彩的色調(diào)優(yōu)于天然石材

微晶玻璃裝飾板材可以通過工藝控制手段，生產(chǎn)出各種顏色色調(diào)及圖案，它經(jīng)過精良的磨拋工藝處理后，還可以產(chǎn)生不同質(zhì)感的效果。*

微晶玻璃裝飾板材的表面光潔度更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天然石材，其光澤亮麗柔和，并能使建筑物富有豪華壯觀氣派，從而達(dá)到非凡的裝飾效果，尤其是純白、純黑及純單一色彩的微晶玻璃更是天然石材所不及的。*(3)優(yōu)良的機(jī)械、化學(xué)穩(wěn)定性可確保安全性微晶玻璃是無機(jī)硅酸鹽材料經(jīng)高溫晶化精制而成，其結(jié)構(gòu)均勻致密，比天然石材更為堅(jiān)硬、耐磨、耐酸堿，能經(jīng)受全天候風(fēng)吹、日曬雨淋而不變色、不褪色，加上機(jī)械強(qiáng)度性能優(yōu)越，能抗強(qiáng)力沖擊而不破裂，可確保建筑物安全性。*(4)易于加工成各種規(guī)格，又有良好環(huán)保性能

微晶玻璃板材可根據(jù)需要加工成各種厚度的板材和異型材，切割成各種規(guī)格。另外，它是用無機(jī)硅酸鹽材料加工而成，因此微晶玻璃不含放射性物質(zhì)，確保了環(huán)境無放射性污染。這也是微晶玻璃優(yōu)于天然石材的獨(dú)到之處。

*2．微晶玻璃墻體材料

微晶玻璃制品形狀和尺寸精度較高，且能生產(chǎn)大規(guī)模的制品，用作建筑砌塊、建筑隔墻，可以滿足輕質(zhì)高強(qiáng)的要求，同時(shí)還具有隔斷靈活，施工操作方便等優(yōu)點(diǎn)。*用作建筑隔堵和建筑砌塊的微晶玻璃，其晶化程度不像裝飾用微晶玻璃要求那么高。因此，可以克服微晶玻璃成晶率低的不足。*另一方面，微晶玻璃原料廣泛，可利用多種工業(yè)廢料。如利用礦渣在熔融狀態(tài)下用加進(jìn)空氣、蒸氣或水處理的方法制成的泡沫礦渣微晶玻璃，作為填充材料和結(jié)構(gòu)材料最宜用于輕質(zhì)墻構(gòu)筑物。*由于微晶玻璃制品具有很高的耐熱性，因此還可作為高溫狀態(tài)下建筑結(jié)構(gòu)材料。

墻體材料是各種建筑中用量最大的材料，微晶玻璃將在墻體材料中，特別是高層建筑中發(fā)揮大的作用，這也為廢料利用開辟一條新途徑。

*3．微晶玻璃屋面與地面材料將微晶玻璃板用作建筑物的地板覆蓋材料，可以減少其底下防水層的數(shù)量，減少填縫材料的消耗，在某些情況下，甚至可以不用防水層。*

微晶玻璃波紋板具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和吸水率為零的優(yōu)良性能，可廣泛用作屋面材料或分層壁板的覆蓋層。

微晶玻璃保溫、隔熱、耐磨性能好，可作保暖或非保暖工業(yè)建筑物的屋蓋、地板等。*4．其他材料

微晶玻璃可以用來代替普通陶瓷、耐酸陶瓷、鑄石、石棉水泥制品和一些建筑塑料，且經(jīng)濟(jì)效果更好。*例如，礦渣微晶玻璃制品，無論是耐磨性、強(qiáng)度和抗化學(xué)腐蝕能力都比陶瓷高，同石棉水泥制品相比，它具有不吸水、不彎曲等性能。

礦渣微晶玻璃的耐火性，耐大氣侵蝕和強(qiáng)度的技術(shù)指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建筑塑料，而且沒有毒性。*除了純微晶玻璃制品外，還可以制備復(fù)合微晶玻璃制品，如鋼絲增強(qiáng)微晶玻璃，或耐火用的微晶玻璃鋼，防火用的泡沫或非泡沫微晶玻璃扳等。*第二節(jié)光導(dǎo)纖維玻璃

玻璃光導(dǎo)纖維是重要的高科技纖維之一，它已成為現(xiàn)代光通信領(lǐng)域不可缺少的纖維材料。*由于光纖通信具有容量大、質(zhì)量高、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，目前，光纜已逐漸取代了由金屬構(gòu)成的明線和電纜，成為承載電話、傳真、圖像、數(shù)據(jù)等各類通信業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)。*現(xiàn)在，由玻璃光纖制成的海底光纜已把世界各大洲的通信緊密連在一起，這對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展將起著不可估量的作用。*玻璃光纜除在通信領(lǐng)域中使用之外，在非通信領(lǐng)域中應(yīng)用的發(fā)展速度也很快，其中包括光和圖像傳輸、功率傳輸、傳感器、汽車工業(yè)以及軍事工業(yè)等。*

光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)可把光從一端獨(dú)立地傳遞到它的另一端，因而將多根光導(dǎo)纖維規(guī)則地排列成長(zhǎng)束狀元件，就能用于光或像的彎曲傳遞。*將多根光導(dǎo)纖維粘合成塊，切成平片，在各種光電系統(tǒng)中能作為具有高的光學(xué)耦合效率和很小畸變的傳光介質(zhì)使用。*

玻璃是制造光導(dǎo)纖維的基本材料，制造光導(dǎo)纖維的玻璃有特定的要求，它必須有高度的光學(xué)均勻性和透明性，滿足一定光學(xué)常數(shù)要求，良好的化學(xué)穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度等，因而制造光導(dǎo)纖維的玻璃形成了新型玻璃材料的一個(gè)重要區(qū)域。*

一、光導(dǎo)纖維的傳光原理入射到兩種折射率不同介質(zhì)界面上的光，一部分反射，另一部分經(jīng)折射透射過去。

當(dāng)光的入射角度變大到使折射角成90度時(shí)，就造成入射光在界面上的全反射。*光纖通信就是利用這種內(nèi)全反射的原理。即，入射到光纖內(nèi)的光，如果能滿足芯和包層界面上內(nèi)全反射的條件，光就可在纖維內(nèi)不斷向前反射，沿著纖維軸向前傳輸。*表面平滑的透明玻璃纖維能使光在高、低折射率界面通過全反射而獨(dú)立地、高效地傳光。為了使實(shí)際所傳遞的光有足夠的亮度，并利用纖維傳光的獨(dú)立性進(jìn)行傳像，因此把許多纖維集合起來使用。*

光導(dǎo)玻璃纖維按成分分為石英光纖、多組分光纖和非氧化物(鹵素)光纖三類；按折射率的變化可分為階躍型(包皮型)光纖和梯度型(漸變型)光纖兩類。*

包皮型光纖由高折射率的芯玻璃和低折射率的皮玻璃組成，后者為了保證光學(xué)絕緣，厚度必須大于所傳遞波長(zhǎng)的1/2。這種結(jié)構(gòu)保證了在一定入射角下射入纖