材料化學(xué)12新型非金屬材料B

1、1材料化學(xué)材料化學(xué)-第五章第五章New-style Non-metallic Inorganic Materials2主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：v5 5.1 .1 半導(dǎo)體材料v5 5.2 .2 特種陶瓷v5 5.3 .3 敏感材料v5 5.4 .4 激光材料v5 5.5 .5 光導(dǎo)纖維v5 5.6 .6 超導(dǎo)材料35.2.2 制造工藝制造工藝v 冷等靜壓成型冷等靜壓成型單向加壓成型單向加壓成型因壓力不均勻而使坯體易變形，難以保證質(zhì)量。因壓力不均勻而使坯體易變形，難以保證質(zhì)量。各向等壓成型各向等壓成型是是一種均勻加壓法。先在一種均勻加壓法。先在300MPa壓力下預(yù)成型，然后在薄膜袋中，用水、甘壓力下預(yù)

2、成型，然后在薄膜袋中，用水、甘油為介質(zhì)，在油為介質(zhì)，在50MPa一一400Mpa壓力下成型。壓力下成型。（2）成型制備技術(shù)）成型制備技術(shù)v 熱壓鑄成型熱壓鑄成型v將原料粉末與粘結(jié)劑將原料粉末與粘結(jié)劑(如如石蠟石蠟)混合混合，調(diào)制成塑性瓷科，用注射成型，調(diào)制成塑性瓷科，用注射成型機(jī)把此料于機(jī)把此料于130300溫度注射入金屬模內(nèi)，形成瓷坯。溫度注射入金屬模內(nèi)，形成瓷坯。v 注漿成型注漿成型v將原料粉末、水將原料粉末、水(或甘油、酒精等或甘油、酒精等)分散懸浮刑、粘結(jié)劑、除氣劑等制分散懸浮刑、粘結(jié)劑、除氣劑等制成一定濃度的料漿，注入石膏模內(nèi)，經(jīng)一定時(shí)向后形成注件，在室溫成一定濃度的料漿，注入石膏模

3、內(nèi)，經(jīng)一定時(shí)向后形成注件，在室溫下干燥下干燥 。5.2 特種陶瓷特種陶瓷45.2.2 制造工藝制造工藝（3）燒結(jié)）燒結(jié)目的目的：增加致密度、機(jī)械強(qiáng)度、減：增加致密度、機(jī)械強(qiáng)度、減少氣孔等。少氣孔等。v燒結(jié)是吉布斯函數(shù)降低的過程。燒結(jié)是吉布斯函數(shù)降低的過程。v其動力來自粉末顆粒內(nèi)外表面能的其動力來自粉末顆粒內(nèi)外表面能的降低和晶格畸變能的降低。降低和晶格畸變能的降低。v能否進(jìn)行燒結(jié)的熱力學(xué)條件取決于能否進(jìn)行燒結(jié)的熱力學(xué)條件取決于晶界能與表面能之比。晶界能與表面能之比。v熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié)v反應(yīng)熱壓燒結(jié)反應(yīng)熱壓燒結(jié)v熱等靜壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié)v反應(yīng)燒結(jié)法反應(yīng)燒結(jié)法vCVD法法5.2 特種陶瓷特種陶瓷55

4、.2.2 制造工藝制造工藝（3）燒結(jié)方法）燒結(jié)方法v熱壓燒結(jié)熱壓燒結(jié): v已用于已用于A12O3：陶瓷車刀的制備，在：陶瓷車刀的制備，在CaF2、PZT、Si3N4等材料生等材料生產(chǎn)中也有廣泛應(yīng)用。產(chǎn)中也有廣泛應(yīng)用。 v粉體置于壓模中，從上到下用粉體置于壓模中，從上到下用1050MPa的壓力，邊的壓力，邊單軸單軸加壓邊加熱到高溫的燒結(jié)方法稱熱壓燒結(jié)法。常加壓邊加熱到高溫的燒結(jié)方法稱熱壓燒結(jié)法。常用的模具材料有石墨、氧化鋁和碳化硅等，石墨可承用的模具材料有石墨、氧化鋁和碳化硅等，石墨可承受受70MPa壓壓 力，力，1500一一2000高溫，高溫，A12O3模可承?？沙惺苁?00MPa壓力。壓力。

5、 5.2 特種陶瓷特種陶瓷65.2.2 制造工藝制造工藝（3）燒結(jié)方法）燒結(jié)方法v反應(yīng)熱壓燒結(jié)反應(yīng)熱壓燒結(jié): 相變熱壓燒結(jié)相變熱壓燒結(jié) 氧化鋯在相變溫度氧化鋯在相變溫度(800一一1200)和和0.3MPa壓壓力下，進(jìn)行熱壓燒結(jié)可以在比正常燒結(jié)溫度低的情況下，幾十分力下，進(jìn)行熱壓燒結(jié)可以在比正常燒結(jié)溫度低的情況下，幾十分鐘內(nèi)燒結(jié)出高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、高透明度的細(xì)晶陶瓷。鐘內(nèi)燒結(jié)出高穩(wěn)定性、高強(qiáng)度、高透明度的細(xì)晶陶瓷。 v在熱壓鑄過程中同時(shí)伴隨化學(xué)反應(yīng)過程。在熱壓鑄過程中同時(shí)伴隨化學(xué)反應(yīng)過程。 分解熱壓燒結(jié)分解熱壓燒結(jié) 含含氫氧化物或水合物氧化物原料氫氧化物或水合物氧化物原料，在高溫過程中發(fā)生，在

6、高溫過程中發(fā)生脫水脫水或或釋氣分解釋氣分解，此時(shí)施加合適的機(jī)械力進(jìn)行熱壓燒結(jié)，則可在較低溫度、壓力，此時(shí)施加合適的機(jī)械力進(jìn)行熱壓燒結(jié)，則可在較低溫度、壓力和短時(shí)間內(nèi)獲得高密度、高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)陶瓷。和短時(shí)間內(nèi)獲得高密度、高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)陶瓷。 例如用鎂或鋁的氫氧化物例如用鎂或鋁的氫氧化物(或或硫酸鹽硫酸鹽)來燒制氧化鎂、氧化鋁陶瓷，溫度在來燒制氧化鎂、氧化鋁陶瓷，溫度在900一一1200，加壓，加壓0.5h可獲可獲得相對密度為得相對密度為99以上的制品。以上的制品。 分解合成熱壓燒結(jié)分解合成熱壓燒結(jié) 在熱壓鑄過程中既有分解反應(yīng)又有合成反應(yīng)。例如，在熱壓鑄過程中既有分解反應(yīng)又有合成反應(yīng)。例如，Ba(OH

7、)或或BaCO3：分解的：分解的BaO與與TiO2合成合成BaTiO3。 5.2 特種陶瓷特種陶瓷75.2.2 制造工藝制造工藝（3）燒結(jié)方法）燒結(jié)方法v熱等靜壓燒結(jié)熱等靜壓燒結(jié): v溫度更高溫度更高 2000 ，壓力更大，壓力更大50200MPa。 邊加熱邊加熱邊各向施壓。邊各向施壓。通過多孔坯體同氣相或液相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使坯體質(zhì)量增加，孔隙減小通過多孔坯體同氣相或液相發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使坯體質(zhì)量增加，孔隙減小 。例如反應(yīng)燒結(jié)氮化硅坯體中的例如反應(yīng)燒結(jié)氮化硅坯體中的Si、SiO2、和、和CaF2同氮反應(yīng)生成同氮反應(yīng)生成Si2ON2。 Si2ON2晶體從被氮飽和的玻璃相中析出，氮氧化硅的相對密度大

8、于晶體從被氮飽和的玻璃相中析出，氮氧化硅的相對密度大于90。 v反應(yīng)燒結(jié)反應(yīng)燒結(jié): 5.2 特種陶瓷特種陶瓷85.2.3 結(jié)構(gòu)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷-工程陶瓷工程陶瓷氧化物陶瓷氧化物陶瓷 Al2O3陶瓷、陶瓷、ZrO2陶瓷陶瓷非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 氮化物陶瓷、碳化物陶瓷氮化物陶瓷、碳化物陶瓷性能評價(jià)性能評價(jià) 強(qiáng)度、硬度、韌強(qiáng)度、硬度、韌性、耐溫、耐磨、性、耐溫、耐磨、耐蝕等耐蝕等5.2 特種陶瓷特種陶瓷9（1）功能陶瓷的應(yīng)用）功能陶瓷的應(yīng)用5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷5.2 特種陶瓷特種陶瓷10 能夠?qū)C(jī)械能和電能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。陶瓷材料。5.2.4 功能陶瓷

9、功能陶瓷（3）壓電陶瓷）壓電陶瓷 介質(zhì)在受到機(jī)械壓介質(zhì)在受到機(jī)械壓力時(shí)，導(dǎo)致其表面力時(shí)，導(dǎo)致其表面帶電。帶電。 對介質(zhì)施加激勵(lì)電對介質(zhì)施加激勵(lì)電場，導(dǎo)致其產(chǎn)生機(jī)場，導(dǎo)致其產(chǎn)生機(jī)械變形。械變形。v壓電陶瓷壓電陶瓷Pachinko游戲機(jī)游戲機(jī)（2）介電陶瓷）介電陶瓷 特點(diǎn)是：體積小、耐熱性好、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適用特點(diǎn)是：體積小、耐熱性好、損耗小、絕緣電阻高，但容量小，適用于高頻高壓電路。于高頻高壓電路。 5.2 特種陶瓷特種陶瓷11 具有電光特性的陶瓷，光學(xué)性質(zhì)會隨外具有電光特性的陶瓷，光學(xué)性質(zhì)會隨外電場的變化而改變，表現(xiàn)出電控雙折射電場的變化而改變，表現(xiàn)出電控雙折射和電控散射。和電

10、控散射。5.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（4）光電陶瓷）光電陶瓷立體電視的原理立體電視的原理 立體電視奧秘在一副能分離左立體電視奧秘在一副能分離左眼和右眼圖像的立體觀察鏡，這眼和右眼圖像的立體觀察鏡，這種觀察鏡的鏡片是用電光陶瓷制種觀察鏡的鏡片是用電光陶瓷制作的。作的。5.2 特種陶瓷特種陶瓷125.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（5）磁性陶瓷）磁性陶瓷 由鐵和其它一種或多種金屬（由鐵和其它一種或多種金屬（Ba、Sr和稀土等）的氧化物組成的復(fù)合和稀土等）的氧化物組成的復(fù)合氧化物。電阻率比金屬磁性材料高，原料來源充足，生產(chǎn)方便，價(jià)低，氧化物。電阻率比金屬磁性材料高，原料來源充足，生產(chǎn)方便，價(jià)低，在永磁、高

11、頻軟磁、磁記錄等方面的應(yīng)用發(fā)展很快。在永磁、高頻軟磁、磁記錄等方面的應(yīng)用發(fā)展很快。主要應(yīng)用主要應(yīng)用 人造骨；人造骨； 人造齒；人造齒； 人造心臟瓣膜；人造心臟瓣膜； 人造關(guān)節(jié)；人造關(guān)節(jié)； 固定化酶載體等。固定化酶載體等。（6）生物陶瓷）生物陶瓷5.2 特種陶瓷特種陶瓷135.2.4 功能陶瓷功能陶瓷（6）生物陶瓷）生物陶瓷5.2 特種陶瓷特種陶瓷145.3.1 傳感器與敏感材料傳感器與敏感材料（1）敏感材料）敏感材料v傳感器技術(shù)傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，是信息技術(shù)的基礎(chǔ)。傳感器產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代科技的前沿技術(shù)，是信息技術(shù)的基礎(chǔ)。傳感器產(chǎn)業(yè)也是國內(nèi)外公認(rèn)的具有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)也是國內(nèi)外公認(rèn)的具

12、有發(fā)展前途的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。而而敏感材料敏感材料是傳感器是傳感器獲取、感知和轉(zhuǎn)換有用信號的關(guān)鍵元件。獲取、感知和轉(zhuǎn)換有用信號的關(guān)鍵元件。 光敏材料是利用半導(dǎo)體的光敏特性制成的。半導(dǎo)體材料在光的激勵(lì)下，光敏材料是利用半導(dǎo)體的光敏特性制成的。半導(dǎo)體材料在光的激勵(lì)下，會產(chǎn)生更多的電子空穴對，致使導(dǎo)電能力增加，電阻率減小。會產(chǎn)生更多的電子空穴對，致使導(dǎo)電能力增加，電阻率減小。 由此可以制造出由此可以制造出紫外光傳感器紫外光傳感器(CdS、ZnS等等)、紅外光傳感器紅外光傳感器(PbS、PbTe等等)等光敏傳感器。等光敏傳感器。 v敏感材料敏感材料是指對電、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等待測量的微是指對電、

13、光、聲、力、熱、磁、氣體分布等待測量的微小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料。小變化而表現(xiàn)出性能明顯改變的功能材料。 （2）光敏材料）光敏材料5.3 敏感材料敏感材料155.3.1 傳感器與敏感材料傳感器與敏感材料（3）熱敏材料）熱敏材料v熱敏材料熱敏材料，顧名思義，就是電阻受溫度影響較大的材料。，顧名思義，就是電阻受溫度影響較大的材料。 一般電阻都會受溫度影響，但是熱敏材料肯定是影響較大的。一般電阻都會受溫度影響，但是熱敏材料肯定是影響較大的。 v熱敏電阻包括熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（正溫度系數(shù)（PTC）和和負(fù)溫度系數(shù)（負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，熱敏電阻，以及臨界溫度熱敏電阻（以及臨界溫度

14、熱敏電阻（CTR）。它們的電阻）。它們的電阻-溫度特性不同。熱敏溫度特性不同。熱敏電阻的主要特點(diǎn)是：電阻的主要特點(diǎn)是：靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出倍以上，能檢測出10-6的溫度變化；的溫度變化；工作溫度范圍寬，工作溫度范圍寬，常溫器件適用于常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于，高溫器件適用溫度高于315（目（目前最高可達(dá)到前最高可達(dá)到2000），低溫器件適用于），低溫器件適用于-27355；體積小，體積小，能夠測量其他溫度計(jì)無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度能夠測量其他溫度計(jì)無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血

15、管的溫度。5.3 敏感材料敏感材料165.3.1 傳感器與敏感材料傳感器與敏感材料（3）熱敏材料）熱敏材料 正溫度特性（正溫度特性（PTC）溫度升高，電阻增大如溫度升高，電阻增大如BaTiO3基陶瓷基陶瓷v負(fù)溫度特性（負(fù)溫度特性（NTC）溫度升高，溫度升高，電阻減小如電阻減小如SnO2基陶瓷基陶瓷5.3 敏感材料敏感材料175.3.1 傳感器與敏感材料傳感器與敏感材料（4）力敏材料）力敏材料（5）磁敏材料）磁敏材料（6）濕敏材料）濕敏材料（8）氣敏材料）氣敏材料（7）聲敏材料）聲敏材料5.3 敏感材料敏感材料185.3.2 常用傳感器常用傳感器（1）常用傳感器的變換功能與材料常用傳感器的變換功

16、能與材料5.3 敏感材料敏感材料195.3.2 常用傳感器常用傳感器（2）化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器對各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。對各種化學(xué)物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測的儀器。 可用于測量溶液的可用于測量溶液的pH值、電導(dǎo)率、溶值、電導(dǎo)率、溶解氧和溫度解氧和溫度一氧化碳?xì)饷魝鞲衅饕谎趸細(xì)饷魝鞲衅?5.3 敏感材料敏感材料205.4.1 激光原理激光原理激光晶體激光晶體 愛因斯坦在玻爾工作的基礎(chǔ)上于愛因斯坦在玻爾工作的基礎(chǔ)上于1916年發(fā)表年發(fā)表關(guān)于輻射的量子理論關(guān)于輻射的量子理論。文章提出了激光輻。文章提出了激光輻射理論，而這正是激光理論的核心基礎(chǔ)。因此射理論，

17、而這正是激光理論的核心基礎(chǔ)。因此愛因斯坦被認(rèn)為是激光理論之父。在這篇論文愛因斯坦被認(rèn)為是激光理論之父。在這篇論文中，愛因斯坦區(qū)分了三種過程：中，愛因斯坦區(qū)分了三種過程：受激吸收受激吸收、自自發(fā)輻射發(fā)輻射、受激輻射受激輻射。 受激吸收受激吸收就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)；就是處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)；自發(fā)輻射自發(fā)輻射是是指高能態(tài)的原子自發(fā)地輻射出光子并遷移至低能態(tài)。指高能態(tài)的原子自發(fā)地輻射出光子并遷移至低能態(tài)。 受激輻射受激輻射是指處于高能級的原子在光子的是指處于高能級的原子在光子的“刺激刺激”或者或者“感應(yīng)感應(yīng)”下，躍遷到下，躍遷到低能級，并輻射出一個(gè)和入射

18、光子同樣頻率的光子。低能級，并輻射出一個(gè)和入射光子同樣頻率的光子。 受激輻射的最大特點(diǎn)是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的原來受激輻射的最大特點(diǎn)是由受激輻射產(chǎn)生的光子與引起受激輻射的原來的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向的光子具有完全相同的狀態(tài)。它們具有相同的頻率，相同的方向。這。這種受到激發(fā)而產(chǎn)生的平行性極好的單色光束稱為種受到激發(fā)而產(chǎn)生的平行性極好的單色光束稱為激光激光。 5.4 激光材料激光材料21輸出輸出5.4.1 激光原理激光原理全反鏡全反鏡 工作物質(zhì)工作物質(zhì)部分反射鏡部分反射鏡紅寶石激光器紅寶石激光器5.4 激光材料激光材料225.4.2 激光工作物質(zhì)激光工

19、作物質(zhì)用于產(chǎn)生激光的材料稱用于產(chǎn)生激光的材料稱激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長的激光器稱為在一定范圍內(nèi)可以連續(xù)改變激光輸出波長的激光器稱為可調(diào)諧激光器?？烧{(diào)諧激光器。 實(shí)現(xiàn)激光波長調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具實(shí)現(xiàn)激光波長調(diào)諧的原理大致有三種。大多數(shù)可調(diào)諧激光器都使用具有寬的熒光譜線的工作物質(zhì)。構(gòu)成激光器的諧振腔只在很窄的波長范圍內(nèi)有寬的熒光譜線的工作物質(zhì)。構(gòu)成激光器的諧振腔只在很窄的波長范圍內(nèi)才有很低的損耗。才有很低的損耗。 第一種是通過某些元件（如光柵）改變諧振腔低損耗區(qū)所對應(yīng)的波長來改第一種是通過某些元件（如光柵）改變諧振腔低損耗區(qū)所對應(yīng)的波

20、長來改變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數(shù)（如磁場、溫度等）使激變激光的波長。第二種是通過改變某些外界參數(shù)（如磁場、溫度等）使激光躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長的變換和調(diào)諧。屬光躍遷的能級移動。第三種是利用非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)波長的變換和調(diào)諧。屬于第一種調(diào)諧方式的典型激光器有染料激光器、金綠寶石激光器、色心激于第一種調(diào)諧方式的典型激光器有染料激光器、金綠寶石激光器、色心激光器、可調(diào)諧高壓氣體激光器和可調(diào)諧準(zhǔn)分子激光器。光器、可調(diào)諧高壓氣體激光器和可調(diào)諧準(zhǔn)分子激光器。 5.4 激光材料激光材料235.4.2 激光工作物質(zhì)激光工作物質(zhì)v光纖激光器結(jié)構(gòu)圖光纖激光器結(jié)構(gòu)圖5.4 激光材

21、料激光材料245.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維25光纖工作過程光纖工作過程5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維265.5.1光導(dǎo)纖維及光導(dǎo)原理光導(dǎo)纖維及光導(dǎo)原理v光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維是一種由折射率較大的是一種由折射率較大的纖芯纖芯和折射率較小的和折射率較小的包層包層構(gòu)構(gòu)成的可以自由彎曲的導(dǎo)光材料。成的可以自由彎曲的導(dǎo)光材料。 光纖光纖的作用是將始端的入射光線傳輸?shù)浇K端，利用光來傳輸?shù)淖饔檬菍⑹级说娜肷涔饩€傳輸?shù)浇K端，利用光來傳輸信息和圖像。信息和圖像。 例如在例如在光通信電話網(wǎng)光通信電話網(wǎng)中，利用送話器的中，利用送話器的微音器微音器把把聲音變?yōu)殡娦怕曇糇優(yōu)殡娦盘柼?，再由，再由發(fā)光元件發(fā)光元件把把電信號變成光信號電信號

22、變成光信號，這種光信號由，這種光信號由光導(dǎo)纖光導(dǎo)纖維維傳遞到受話的一方，通過傳遞到受話的一方，通過受光元件受光元件恢復(fù)成電信號恢復(fù)成電信號，使受話器，使受話器的話筒的話筒(揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器)嗚叫。嗚叫。 5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維275.5.1光導(dǎo)纖維及光導(dǎo)原理光導(dǎo)纖維及光導(dǎo)原理 導(dǎo)光原理導(dǎo)光原理全反射全反射(實(shí)際利用折射的實(shí)際利用折射的原理原理) 全反射即光從光密介質(zhì)全反射即光從光密介質(zhì)(折射率折射率n大的介大的介質(zhì)質(zhì))射到光疏介質(zhì)射到光疏介質(zhì)(折射率折射率n小的介質(zhì)小的介質(zhì))的界的界面時(shí)，全部反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象。面時(shí)，全部反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象。 光導(dǎo)纖維，就是利用光導(dǎo)纖維，就是利用纖芯纖芯和和包層

23、包層折射率折射率的差別，依靠全反射的原理實(shí)現(xiàn)光信息的差別，依靠全反射的原理實(shí)現(xiàn)光信息傳輸?shù)?。傳輸?shù)摹?用一束光導(dǎo)纖維導(dǎo)光時(shí)，只要入射角選用一束光導(dǎo)纖維導(dǎo)光時(shí)，只要入射角選擇適當(dāng)，使其大于臨界角，則入射光線擇適當(dāng)，使其大于臨界角，則入射光線在光導(dǎo)纖維芯體內(nèi)部界面上會產(chǎn)生全反在光導(dǎo)纖維芯體內(nèi)部界面上會產(chǎn)生全反射，而全反射光線又以同樣的角度在對射，而全反射光線又以同樣的角度在對面界面上發(fā)生第二次全反射，這樣經(jīng)過面界面上發(fā)生第二次全反射，這樣經(jīng)過多次全反射后，就可以將光從一端輸送多次全反射后，就可以將光從一端輸送到另一端，用以傳導(dǎo)信息和圖像。到另一端，用以傳導(dǎo)信息和圖像。5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維285

24、.5.2 光纖材料光纖材料 目前光纖通訊材料主要用高透明度的目前光纖通訊材料主要用高透明度的二氧化硅二氧化硅材料，可用化學(xué)蒸汽沉積法材料，可用化學(xué)蒸汽沉積法(CVD)制成純二氧化硅。近年來還有新的光纖材料，如制成純二氧化硅。近年來還有新的光纖材料，如ZrF4、LaF3和和BaF2二元混合體的二元混合體的氟玻璃氟玻璃，其性能優(yōu)于二氧化硅，光損失更小，上萬公，其性能優(yōu)于二氧化硅，光損失更小，上萬公里光信號傳輸不需要任何中繼站。里光信號傳輸不需要任何中繼站。 此外還有此外還有晶體光纖晶體光纖和和聚合物光纖聚合物光纖。 我們平時(shí)家里拉網(wǎng)線是雙膠線，傳輸介質(zhì)一般是銅線。而光纖，用到的我們平時(shí)家里拉網(wǎng)線是

25、雙膠線，傳輸介質(zhì)一般是銅線。而光纖，用到的是玻璃纖維，所以速度比雙膠線要快得多，而損耗要比雙膠線小。是玻璃纖維，所以速度比雙膠線要快得多，而損耗要比雙膠線小。 寬帶使用平常的電話線就可以了寬帶使用平常的電話線就可以了 ；光纖屬于專線，速度快、費(fèi)用貴光纖屬于專線，速度快、費(fèi)用貴。 研究光纖材料主要是減少研究光纖材料主要是減少光損耗光損耗和和色色散。散。 色散的大小，影響到一根光纖中色散的大小，影響到一根光纖中同時(shí)傳輸?shù)墓庑畔⒘康娜萘?。同時(shí)傳輸?shù)墓庑畔⒘康娜萘?。?fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)復(fù)色光分解為單色光而形成光譜的現(xiàn)象叫做光的色散。象叫做光的色散。 5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維295.5.3

26、石英光纖材料及制備石英光纖材料及制備 石英光纖石英光纖的組的組成以成以SiO2為主，為主，添加少量的添加少量的GeO2、P2O5及及F等以控制光纖等以控制光纖的折射率。它的折射率。它具有資源豐富、具有資源豐富、化學(xué)性能極其化學(xué)性能極其穩(wěn)定、膨脹系穩(wěn)定、膨脹系數(shù)小，容易在數(shù)小，容易在高溫下加工且高溫下加工且光纖的性能不光纖的性能不隨溫度而隨溫度而 改變改變等優(yōu)點(diǎn)。等優(yōu)點(diǎn)。 1. 化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維305.5.3 石英光纖材料及制備石英光纖材料及制備v（1）MCVD法法v氯化物和氧氣從石英管的氯化物和氧氣從石英管的一端饋入管中，在噴燈提一端饋入管中，在噴燈提供的高

27、溫下反應(yīng)，在噴燈供的高溫下反應(yīng)，在噴燈的下游所生成的煙灰狀二的下游所生成的煙灰狀二氧化硅和二氧化鍺亞微米氧化硅和二氧化鍺亞微米顆粒沉積于石英管的內(nèi)壁顆粒沉積于石英管的內(nèi)壁上。當(dāng)噴燈經(jīng)過沉積物時(shí)，上。當(dāng)噴燈經(jīng)過沉積物時(shí)，它們就被凝固為固態(tài)的玻它們就被凝固為固態(tài)的玻璃。璃。v 通過改變硅、鍺氯化物的通過改變硅、鍺氯化物的比例，可形成折射率梯度比例，可形成折射率梯度（更多的鍺，更高的折射（更多的鍺，更高的折射率）。率）。GeCl4+O2 GeO2+2Cl2SiCl4+O2 SiO2+2Cl25.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維315.5.3 石英光纖材料及制備石英光纖材料及制備vMCVD法工藝法工藝5.5 光導(dǎo)

28、纖維光導(dǎo)纖維325.5.3 石英光纖材料及制備石英光纖材料及制備（2）OVD法法(外部氣相沉積法外部氣相沉積法)v將將SiCl4等噴射入氫氧焰中，等噴射入氫氧焰中，加水進(jìn)行分解反應(yīng)加水進(jìn)行分解反應(yīng)。形成的形成的氧化物微粉沉積在耐高溫的氧化物微粉沉積在耐高溫的中心材料周圍。用這種方法中心材料周圍。用這種方法可以獲得類似于粉筆的多孔可以獲得類似于粉筆的多孔性玻璃體，然后再取出中心性玻璃體，然后再取出中心棒材加熱，便可得到透明的棒材加熱，便可得到透明的母體材料。它的折射率分布母體材料。它的折射率分布 也是通過控制每一玻璃層中也是通過控制每一玻璃層中GeO2等添加量來調(diào)節(jié)的。等添加量來調(diào)節(jié)的。 SiC

29、l4+2H2O SiO2+4HCl5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維335.5.3 石英光纖材料及制備石英光纖材料及制備vOVD法工藝法工藝5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維345.5.3 石英光纖材料及制備石英光纖材料及制備（3）VAD法法(垂直軸向氣相沉積垂直軸向氣相沉積)v沿軸向沉積的。它與氣相外沿軸向沉積的。它與氣相外延沉積法的相同點(diǎn)是，都是延沉積法的相同點(diǎn)是，都是用氫氧焰獲得氧化物粉末，用氫氧焰獲得氧化物粉末，再將這些粉末用氫氧焰從石再將這些粉末用氫氧焰從石英玻璃棒下端表面噴吹沉積英玻璃棒下端表面噴吹沉積而獲得多孔的玻璃母體。通而獲得多孔的玻璃母體。通 過安裝在其上方的電路加熱過安裝在其上方的電路加熱到

30、到1500，便得到透明的玻，便得到透明的玻璃母體。璃母體。 母體材料在石墨電阻爐內(nèi)加母體材料在石墨電阻爐內(nèi)加熱到熱到2100后軟化，由拉絲后軟化，由拉絲裝置進(jìn)行拉絲，可形成外徑裝置進(jìn)行拉絲，可形成外徑 約約125p航的光纖。航的光纖。SiCl4+2H2O SiO2+4HCl5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維355.5.3 石英光纖材料及制備石英光纖材料及制備vVAD法工藝法工藝5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維365.5.3 石英光纖材料及制備石英光纖材料及制備2. 拉絲拉絲5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維375.5.3 石英光纖材料及制備石英光纖材料及制備 其一端加工成圓錐其一端加工成圓錐形并接上一小段石形并接上一小段

31、石英棒的預(yù)制棒固定英棒的預(yù)制棒固定于預(yù)制棒饋入器上，于預(yù)制棒饋入器上，當(dāng)錐形端饋入至溫當(dāng)錐形端饋入至溫度約度約2200C的拉絲的拉絲爐中一定時(shí)間后，爐中一定時(shí)間后，一個(gè)溶化的垂體形一個(gè)溶化的垂體形成并下落，隨著下成并下落，隨著下落，一根細(xì)的光纖落，一根細(xì)的光纖就形成了。就形成了。2. 拉絲拉絲2000左右加熱左右加熱熔化預(yù)型件熔化預(yù)型件拉絲過程最重要拉絲過程最重要的是控制纖維直的是控制纖維直徑的恒定。為此徑的恒定。為此必須嚴(yán)格穩(wěn)定爐必須嚴(yán)格穩(wěn)定爐溫和控制氣氛的溫和控制氣氛的變化變化5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維385.5.4 光纜光纜 塑料加強(qiáng)件塑料加強(qiáng)件位于幾根心線之間，起支撐、防止光纖斷裂的作用

32、。心線緊位于幾根心線之間，起支撐、防止光纖斷裂的作用。心線緊圍在塑料加強(qiáng)件周圍，但其周圍仍有許多空隙，必須用圍在塑料加強(qiáng)件周圍，但其周圍仍有許多空隙，必須用填充物填充物將光纜內(nèi)將光纜內(nèi)的空隙填滿，以阻止外界水分子的滲入。此外，還有其它的空隙填滿，以阻止外界水分子的滲入。此外，還有其它防水涂層防水涂層。光。光纜的最外層大多是塑料、纜的最外層大多是塑料、 橡膠護(hù)套，多用聚乙烯塑料橡膠護(hù)套，多用聚乙烯塑料護(hù)套護(hù)套。 光纜示意圖光纜示意圖5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維395.5.4 光纜光纜 光纖光纖(心線心線)一般分為三層：中心高折射率一般分為三層：中心高折射率玻璃芯玻璃芯（芯徑一般為（芯徑一般為50或或

33、62.5m），中間為低折射率硅），中間為低折射率硅玻璃包層玻璃包層（直徑一般為（直徑一般為125m），最外），最外是加強(qiáng)用的是加強(qiáng)用的樹脂涂層。樹脂涂層。 光纖光纖(心線心線)示意圖示意圖1-纖芯；纖芯；2-包層；包層；3-一次涂層一次涂層(有機(jī)硅樹脂等有機(jī)硅樹脂等)；4-緩沖層緩沖層(低密度硅樹酯等低密度硅樹酯等)；5-套塑層套塑層(尼龍尼龍-12，聚丙烯等，聚丙烯等) .5.5 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維405.6.1 超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象導(dǎo)體材料電阻突然消失、變?yōu)閷?dǎo)體材料電阻突然消失、變?yōu)?的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。1911年，荷蘭著名低溫物理學(xué)家年，荷蘭著名低溫物理學(xué)家卡末林卡末林昂尼斯昂尼斯在觀察在觀察低溫

34、下水銀電阻的變化時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)在絕對溫度低溫下水銀電阻的變化時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)在絕對溫度4.2K時(shí)，水銀的電阻突然消失了，這是人類初次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)時(shí)，水銀的電阻突然消失了，這是人類初次發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象 超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，電阻完全消失，若用它組成閉合回路，一旦超導(dǎo)體處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，電阻完全消失，若用它組成閉合回路，一旦在回路中有電流，則回路中沒有電能的消耗，不需要任何電源補(bǔ)充能在回路中有電流，則回路中沒有電能的消耗，不需要任何電源補(bǔ)充能量，電流可以持續(xù)存在，形成持久電流。因此超導(dǎo)體內(nèi)部量，電流可以持續(xù)存在，形成持久電流。因此超導(dǎo)體內(nèi)部0，E=0，超導(dǎo)體是一個(gè)等勢體。超導(dǎo)體是一個(gè)等勢

35、體。 1. 超導(dǎo)概念超導(dǎo)概念5.6 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料415.6.1 超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象1. 超導(dǎo)概念超導(dǎo)概念5.6 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料425.6.1 超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象 1913年，昂尼斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超導(dǎo)鉛線中的電流密度超過某一臨界值年，昂尼斯發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超導(dǎo)鉛線中的電流密度超過某一臨界值jc(臨界電流密度臨界電流密度)時(shí)，鉛線就轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。時(shí)，鉛線就轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。1914年，他從實(shí)驗(yàn)中年，他從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，材料的超導(dǎo)狀態(tài)可以被外加磁場破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)，這種破發(fā)現(xiàn)，材料的超導(dǎo)狀態(tài)可以被外加磁場破壞而轉(zhuǎn)入正常態(tài)，這種破壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小磁場強(qiáng)度稱為壞超導(dǎo)態(tài)所需的最小磁場強(qiáng)度稱為臨界磁場臨界磁場，以，以Hc表示

36、。表示。 超導(dǎo)態(tài)有三個(gè)臨界超導(dǎo)態(tài)有三個(gè)臨界條件：條件：臨界溫度臨界溫度Tc，臨界磁場臨界磁場Hc和和臨界臨界電流密度電流密度jc，它們，它們之間密切相關(guān)，我之間密切相關(guān)，我們可以用下面的三們可以用下面的三維相圖表示它。維相圖表示它。 2. 臨界磁場臨界磁場與與臨界電流密度臨界電流密度 (曲面內(nèi)：超導(dǎo)狀態(tài)曲面內(nèi)：超導(dǎo)狀態(tài)曲面外：正常狀態(tài)曲面外：正常狀態(tài)) 5.6 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料435.6.1 超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象 如果將一超導(dǎo)體樣品放入磁場中，由于樣品的磁通量發(fā)生了變化，樣品如果將一超導(dǎo)體樣品放入磁場中，由于樣品的磁通量發(fā)生了變化，樣品的表面產(chǎn)生感生電流，這電流將在樣品內(nèi)部產(chǎn)生磁場，完全抵消掉內(nèi)部

37、的表面產(chǎn)生感生電流，這電流將在樣品內(nèi)部產(chǎn)生磁場，完全抵消掉內(nèi)部的外磁場，使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場為零。這就是超導(dǎo)體的的外磁場，使超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場為零。這就是超導(dǎo)體的完全抗磁性。完全抗磁性。 超導(dǎo)體的抗磁性可超導(dǎo)體的抗磁性可用右圖來表示。用右圖來表示。 小磁鐵懸浮在小磁鐵懸浮在Ba-La-Cu-O超導(dǎo)體圓超導(dǎo)體圓片（浸在液氮中）片（浸在液氮中）上方的照片。上方的照片。 3. 邁斯納效應(yīng)邁斯納效應(yīng)完全抗磁性完全抗磁性 5.6 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料445.6.1 超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)現(xiàn)象 磁懸浮列車是一種利用磁極吸引力和排斥力的高科技交通工磁懸浮列車是一種利用磁極吸引力和排斥力的高科技交通工具。簡單地說，具。簡單地說

38、，排斥力使列車懸起來排斥力使列車懸起來、吸引力讓列車開動吸引力讓列車開動。 磁懸浮列車上裝有電磁體，鐵路底部則安裝線圈。通電后，磁懸浮列車上裝有電磁體，鐵路底部則安裝線圈。通電后，地面線圈地面線圈產(chǎn)生的磁場極性與列車上的電磁體極性總保持相同，產(chǎn)生的磁場極性與列車上的電磁體極性總保持相同，兩者兩者“同性相斥同性相斥”，排斥力使列車懸浮起來。鐵軌的，排斥力使列車懸浮起來。鐵軌的兩側(cè)線兩側(cè)線圈圈，交流電使線圈變?yōu)殡姶朋w。它與列車上的電磁體相互作，交流電使線圈變?yōu)殡姶朋w。它與列車上的電磁體相互作用，使列車前進(jìn)。用，使列車前進(jìn)。 磁懸浮列車磁懸浮列車 5.6 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料455.6.1 超導(dǎo)現(xiàn)象超導(dǎo)

39、現(xiàn)象超導(dǎo)磁懸浮列車原理示意圖超導(dǎo)磁懸浮列車原理示意圖 世界第一條磁懸浮列車世界第一條磁懸浮列車示范運(yùn)營線示范運(yùn)營線上海磁上海磁懸浮列車懸浮列車，建成后，從，建成后，從浦東龍陽路站到浦東國浦東龍陽路站到浦東國際機(jī)場，三十多公里只際機(jī)場，三十多公里只需需67分鐘。分鐘。 磁懸浮列車有許多優(yōu)點(diǎn)：磁懸浮列車有許多優(yōu)點(diǎn)：列車在鐵軌上方懸浮運(yùn)列車在鐵軌上方懸浮運(yùn)行，鐵軌與車輛不接觸，行，鐵軌與車輛不接觸，不但運(yùn)行速度快，能超不但運(yùn)行速度快，能超過過500 千米小時(shí)千米小時(shí)，而，而且運(yùn)行平穩(wěn)、舒適，易且運(yùn)行平穩(wěn)、舒適，易于實(shí)現(xiàn)自動控制；無噪于實(shí)現(xiàn)自動控制；無噪音，不排出有害的廢氣，音，不排出有害的廢氣，有利

40、于環(huán)境保護(hù)；有利于環(huán)境保護(hù)； 5.6 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料465.6.2 低低Tc材料材料大多數(shù)金屬和合金的超導(dǎo)臨界溫度大多數(shù)金屬和合金的超導(dǎo)臨界溫度Tc都在都在20K以下，因而稱為以下，因而稱為低低Tc材料。材料。 自自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象Hg的的Tc4.2K以來，直到以來，直到1986年年1月前，月前，經(jīng)過了經(jīng)過了75年的奮斗，能得到的最好的材料仍然是年的奮斗，能得到的最好的材料仍然是1973年發(fā)現(xiàn)的年發(fā)現(xiàn)的Tc23.2K的的Nb3Ge，也就是說，超導(dǎo)材料的，也就是說，超導(dǎo)材料的Tc只提高了只提高了19K。 對于對于低低Tc材料，材料，實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象，只有使用液氦制冷。液氦的實(shí)現(xiàn)

41、超導(dǎo)現(xiàn)象，只有使用液氦制冷。液氦的來源、價(jià)格、制冷成本限制了來源、價(jià)格、制冷成本限制了低低Tc材料材料的應(yīng)用的應(yīng)用。研究高研究高Tc材料，在更高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)材料，在更高溫度下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象一直是科學(xué)家的研究夢想。象一直是科學(xué)家的研究夢想。5.6 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料475.6.3 高高Tc材料材料1986年人們終于發(fā)現(xiàn)了臨界溫度在液氦沸點(diǎn)以上的年人們終于發(fā)現(xiàn)了臨界溫度在液氦沸點(diǎn)以上的高溫超導(dǎo)體高溫超導(dǎo)體（HTS），這大大的推動了高溫超導(dǎo)材料的研究。），這大大的推動了高溫超導(dǎo)材料的研究。 高高Tc材料主要是氧化物超導(dǎo)體。其研究發(fā)展迅速，到目材料主要是氧化物超導(dǎo)體。其研究發(fā)展迅速，到目前為止，已可以

42、實(shí)現(xiàn)室溫大約前為止，已可以實(shí)現(xiàn)室溫大約14左右的超導(dǎo)現(xiàn)象。左右的超導(dǎo)現(xiàn)象。高溫氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn)，突破了溫度壁壘，把超導(dǎo)應(yīng)用的高溫氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn)，突破了溫度壁壘，把超導(dǎo)應(yīng)用的溫度從液氦提高到了液氮（溫度從液氦提高到了液氮（77K）溫區(qū)。同液氦相比，液氮）溫區(qū)。同液氦相比，液氮是一種非常經(jīng)濟(jì)的冷媒，并且具有較高的熱容量，給工程應(yīng)是一種非常經(jīng)濟(jì)的冷媒，并且具有較高的熱容量，給工程應(yīng)用帶來了極大的方便。用帶來了極大的方便。 5.6 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料485.6.3 高高Tc材料材料超導(dǎo)材料研究進(jìn)展超導(dǎo)材料研究進(jìn)展 高高Tc材料研究大致進(jìn)展如右。材料研究大致進(jìn)展如右。 從超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的歷程來看，新的

43、更從超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的歷程來看，新的更高高Tc材料的發(fā)現(xiàn)和制造工藝技術(shù)突破都有材料的發(fā)現(xiàn)和制造工藝技術(shù)突破都有可能。目前高溫超導(dǎo)材料正從可能。目前高溫超導(dǎo)材料正從研究階段向研究階段向應(yīng)用發(fā)展階段轉(zhuǎn)變應(yīng)用發(fā)展階段轉(zhuǎn)變，未來的十年可能會是，未來的十年可能會是市場發(fā)展和高市場發(fā)展和高Tc材料產(chǎn)業(yè)化的十年。材料產(chǎn)業(yè)化的十年。 目前世界上已形成每年約目前世界上已形成每年約20億美元的億美元的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)市場，主要是低溫超導(dǎo)材料。據(jù)超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)市場，主要是低溫超導(dǎo)材料。據(jù)近幾年國際超導(dǎo)工業(yè)高峰會議預(yù)測，到近幾年國際超導(dǎo)工業(yè)高峰會議預(yù)測，到2000年及年及2010年世界超導(dǎo)工業(yè)市場將分年世界超導(dǎo)工業(yè)市場將分別達(dá)到別達(dá)到76億美元及億美元及370億美元億美元/年。人們有年。人們有理由相信，再過理由相信，再過15年，即超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)年，即超導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)100年的時(shí)候，將會在年的時(shí)候，將會在高溫超