《无机非金属材料与人类文明.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无机非金属材料与人类文明.ppt（36页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、无机非金属材料与人类文明,世界是由物质组成的，对人类有用的物质即材料，按其组成和化学键性质可将材料分成四大类：金属材料（包括纯金属及其合金）：由金属原子组成，原子与原子之间靠共价键而键合，描述键合的理论为自由电子理论；有机高分子材料：以C原子为主要成分，原子与原子之间靠共价键而键合，描述键合的理论有价键理论和分子轨道理论；无机非金属材料：以金属元素或非金属元素的化合物或非金属元素单质为组元，原子与原子之间通过离子键和共价键而键合，描述键合的理论有静电吸引理论、价键理论与分子轨道理论；复合材料：金属基，非金属基，树脂基，以混合键结合，物理与化合键可能均存在。无机非金属材料是材料科学与工程领域中的
2、重要组成部分，它在工业、农业、人们日常生活、国防及现代科技中都有着非常重要的作用，用途极为广泛，为人类文明作出了重要的贡献。本次课从几个方面谈谈无机非金属材料在推进人类文明中所起的重要作用。,一 无机非金属材料的发展历程发展 天然材料：原始人用天然岩石制作工具和武器，这些材料是最先使用的材料，属无机非金属材料的范围 传统无机非金属材料：也称为硅酸盐材料，因构成材料的主要物质为硅酸盐，包括用陶土制作粗陶制品，花盆，彩陶等；采用更高级的材料制作的精陶。粗陶与精陶都是不很致密的物质，气孔较多；烁器：提高烧成温度而获得致密的瓷器-烁器；瓷器：从烁起出发，通过提高质量而获得致密的烧结构白色胚体。陶瓷和瓷
3、器合称为陶瓷；在陶瓷的发展过程中，硅瓦，玻璃，水泥，耐火材料也在慢慢发展起来，都已经形成产业。新型无机非金属材料：随着生产技术的向前发展，特别是自四十年代以来，在原有硅酸盐材料的基础上，开发出了许多新型材料，这些材料的成分已不含硅酸盐，将这些材料叫做新型无机非金属材料。复合材料：单一材料的性能和功能是不能完全满足社会经济发展和现代科技的要求的；需要将多种材料复合起来，以赋予其特殊性能和功能；复合材料将是21世纪新的经济增长点。,二 无机非金属材料与人类文明(一）建筑材料 建筑物是人类生存，学习和工作的主要场所，构筑建筑物的材料相当一部分是无机非金属材料。,（二）生物材料 人体器官，骨骼等因疾病
4、、缺损或机械损伤等原因，致使其失去应有的功能，需要替换。生物材料主要有三种功能：(1)替代人体内有病或损伤的部分；(2)作为人体先天性缺损部分的替代品；(3)有助于人体内组织恢复的功能生物材料。早在公元前，人们就不断地探索、利用天然材料来修补人体创伤，但存在两个问题：(1)天然材料是有限的；(2)人道问题或心理问题。到19世纪中期，开始大量利用金属板针固定骨折，存在的主要问题是与生体组织力学不相容、人感到不舒服、且金属材料易溶出对人体有害的金属离子。六十年代初期是生物材料蓬勃发展的时期，当时主要是高分子材料，但高分子材料易老化、变化，易溶出对人体有害的有机单体。七十年代以来，随着氧化铝多晶和单
5、晶陶瓷的引入和广泛应用，开创了崭新的生物陶瓷时代。继氧化铝陶瓷之后，人类又发现了许多生物性能优良的陶瓷材料。许多材料已应用于临床，如做牙齿冠（根）、人工骨、人工关节、固定骨折用的器具、人工心瓣膜、人工眼等。,生物材料（无机非金属材料）种类及临床应用,三大类材料性能的比较,从上表可以看出，无机非金属材料用作生物材料具有许多优点，如生物相容性。一些材料可用作惰性生物材料，即不与人体组织发生化学键合，但又能确保材料在生命体中不引起血栓、不致癌、无毒等；还有一些无机非金属材料可与人体组织发生化学键合，因为象人骨这样的生体组织中主要含P5+、Ca2+、O2-、H2O等物质，这些物质极易与生物材料结合而成
6、一体。又如化学稳定性，无机非金属材料的化学稳定性可确保材料在生体环境中材质的不改变。但无机非金属材料存在的问题也是明显的，如大多数无机非金属材料都是脆性的，难于加工成型等。因此，可将金属材料与无机非金属材料结合起来，使之兼具金属材料和无机非金属材料的优点。方法可示意如下：另外，纳米技术的发展和应用也将有助于克服无机非金属材料的脆性和难于加工的问题。,（三）无机闪烁材料 人们一般认为物质结构的基本单元是原子，那么原子内部又是如何呢？这就是粒子物理学家长期以来在不懈努力探索的问题，期望更进一步，探索到物质结构的奥妙。在这方面，无机非金属材料所起的作用举足轻重！1948年美国物理学家Hotstadt
7、er利用现在看起来相当简单的设备发明了第一块无机闪烁晶体NaI（），在50多年间，其应用达到空前广泛的程度。NaI（）被应用在物理学、生物学、化学、医学、核能、放射性跟踪、地质、铀矿勘探、石油探井、食品研究等许多领域。其中，在物理学方面的研究特别引人注目。如电子偶系统（）衰变的射线的探测、子跃迁产生的射线的探测、弱作用中宇称不守恒定律的证明、Mossbauer效应的发现、爱因斯坦等效性的验证、长期寻找的赝标量态粒子、候选态粒子以及可能是胶球状新粒子Z和的发现，均是借助于NaI（）这种闪烁晶体而得以实现的。可以说，没有NaI（）这种闪烁材料，现代物理的发展进程将大大推迟。现在的问题是：要发现越来
8、越小的物质结构单元，需要建造越来越大的仪器。27Km长的大型电子正电子对撞机LEP（large electron position）是目前世界上最大的加速器，它产生250Gev（亨电子伏特）以上的正负电子碰撞。新一代加速器将是大型质子对撞机LHC（large Hadron-collider），质子将以28.5Tev（太电子伏特）的能量进行碰撞。在这种高辐射环境中的探测器对材料有很高的要求。NaI（）这种材料已经不能满足当代和新一代粒子物理试验的需要，其应用在Mev能级，寻找新的性能优良的闪烁材料是该领域的重要发展方向和热点。目前被认为有希望的材料有YAP、YAlO3（Ce）、CeF3、GSO、
9、Gd2SiO5（Ce）及氟化物玻璃和重金属氧化物玻璃。,（四）非线性光学材料 线性光学材料是指光通过材料后其频率不发生变化的材料，数学表达式为PKE。而非线性光学材料是指光通过材料后其频率发生变化的材料P=X1E+X2E2+X3E3=X1E0cost+X2E02 cos2t+X3E03 cos3tA.现在用的开关是基于电子的，速度慢而且易受电磁场干扰，未来用的开关是光子开关。Photonic Switch，这种非线性光学材料做的开关具有宽带频率范围，不受电磁场感应及开关速度快等特点，可满足未来光通讯、信号处理和计算机科学技术发展的需要。玻璃非线性光学材料因具有高的透明性、化学稳定性、热稳定性，
10、快的响应时间及制造容易等特点而成为未来光子开关的候选材料之一。B.利用玻璃材料的高三阶非线性极化率可以制成相位共轭镜，用于对航天航空器进行探测，如飞机在高空云层上飞行，由于云层的折射率是不均匀的，因此，在地面上用普通反射镜探测器系统获得的图像是畸变的，但如果采用相位共轭镜，这种畸变的图像却可真实地反映出来。,（五）激光材料 由于激光具有高能密度、单色性、方向性以及相干性好等特点，因而激光在军事、工业、农业、医学、通讯和基础科学等许多领域都有重要应用。发生激光的物质叫做激光工作物质，包括气体、液体和固体激光物质等，其中固体激光物质是最重要的一种。固体激光物质中又分为晶体和玻璃，它们都是在基质固体
11、中掺入适量的激活离子。如Cr3+Ni2+V22+Co3+Nd3+Yb3+等。晶体物质：A.氟化物晶体CAF2、LiF4是通过提纯法在饱和水溶液中提纯单晶而成。B.复合氟化物晶体如5CAF29YF3、CaF2SrF2、NaCaYF6等。C.氟化物单晶Al3O3(Ce3+)、CaWO4(Nd3+)、钇铝石榴石 YAG等。非晶态物质：A.硅酸盐玻璃，是最先应用的玻璃态激光物质，缺点是发光物 质加入量不高、荧光效率低、非线性极化率大（易引起自聚 焦等）B.磷酸盐玻璃，荧光物质引入量较高、发光效率较高、非线性极化率比硅酸盐玻璃小，但使用者还是认为高了一些。C.氟磷酸盐玻璃，是目前非线性极化,（六）PDP
12、用基板玻璃：军事部门对显示器有许多特殊的要求，如要求工作温度范围宽，能承受作战平台的震动和冲击，视角大，能在阳光下读出，像素格式和分辩率能与各种传感器的输出相匹配等。因而军事部门一直采用技术已相当成熟的阴极射像管显示器。但随着平板显示器技术的发展和成熟，其许多性能已与阴极射像管相匹敌，而其体积小、重量轻和功耗低的特点是阴极射像管无法实现的。因而，军事部门已逐渐接受平板显示器，并在不断扩展其应用范围，平板显示器将最终完全取代笨重的阴极射像管。其中，20世纪90年代中期开发生产的彩色等离子体显示屏（plasma display panels,简称PDP）因其工作在全数字化模型及易于实现大屏幕显示等
13、特点，在21世纪的平板显示领域将占有主导地位，具有非常广阔的应用前景。在军用方面,这种显示器可广泛应用于预警-侦察机、潜艇、水面战舰、装甲战车等平台,以取代目前的大型阴极射像管；也可应用于陆军的“地面勇士计划”、航空夜视眼镜、激光测距机/指示器、探雷用和通用头部显示器；还可应用于M1A2坦克车长眼镜系统及各种作战指挥平台的大型显示器。在民用方面，它也是数字化彩电、高分辨率电视和多媒体终端理想的显示器件。显而易见,等离子体显示屏用大屏幕基板玻璃具有非常广泛和乐观的市场前景。,目前，单色产品的对角线尺寸已达1.5米，在彩色高分辨率电视机样品中，PDP产品的对角线尺寸均已达到1米（42英寸）。国外有
14、多家公司正在研制1.3米（51英寸）的彩色等离子体显示器，预计到2005年后将有1.31.5米的大屏幕彩色PDP高分辨率电视机投产。然而，随着彩色等离子体显示器分辨率的提高和屏幕尺寸的增大，对彩色PDP显示器用基板玻璃的要求也越来越高，这些要求包括：（1）、为了尽可能减少封装应力、确保器件精度和灵敏度，基板玻璃应与已开发的PDP器件相关材料热膨胀系数相匹配；（2）、由于组成彩色PDP的前后玻璃基板均要在300600摄氏度之间经历多次高温烘烤与烧结，为了较少基板玻璃在加热与冷却器件过程中的不恰当收缩而造成的像素错位（如荧光粉与电极，障壁与电极错位等）。为了减少印刷困难以及玻璃基板的弯曲变形，基板
15、玻璃应具有较高的应变点（大于570摄氏度）；（3）、作为绝缘材料，基板玻璃应具有较高的体积电阻率；（4）、玻璃应具有良好的化学稳定性，成本应较低。国内现有的玻璃产品不能满足彩色等离子体显示屏对高性能基板玻璃的要求，这种现状将会直接制约大屏幕高清晰度PDP显示器的发展，进而制约着许多国防军事工程、大屏幕壁挂电视机和计算机监视器的发展，甚至导致平板显示器技术的停止不前。因此，研究等离子体显示屏用基板玻璃的制备技术以及其组成结构性能三者关系对于开发PDP用新型玻璃材料、促进PDP技术的发展、加速国防军工建设，加速大屏幕壁挂电视机和计算机监视器的实用化进程具有非常重要的实际意义和理论意义。正如我国科学
16、发展“十五”规划和2015远景规划“新材料技术领域发展战略”中所指出的，大屏幕显示器玻璃将取代传统的玻璃显像管，成为新型电子玻璃产业.,（七）MEMS用静电键合微晶玻璃 自从微电子技术问世以来，人们不断追求微小尺寸结构的装置。用微电子技术制造具有微电子器件那样尺寸的微机械，再与集成电路集成在一起便形成微电子机械系统MEMS（micro electronic mechanical system）。其技术目标是实现信息获取、处理、判断、执行一体化，具有尺寸小、热容量低、灵敏度高及响应快等特点。该系统包括微机械惯性传感器、微型执行器、微加速器、微陀螺仪、微型机械光学零件、真空微电子元件及电子电力器件
17、等。在航空、航天、海防、各种交通工具、计算机、生物、医疗等领域有着十分重要的应用，尤其是区电、DF-31A、DH-10、863-409等国防军事重点工程的关键系统。微电子机械系统的实现依赖于微细加工技术，这些技术包括半导体加工技术、超精密机械加工及特种加工技术等。其中半导体加工技术（主要是硅半导体加工技术）目前是微型机械的主要制造技术，它又包括光刻、沉积、蚀刻及粘接技术等。为了抵抗高辐射环境中高能粒子的作用、减少电容、提高电路速度和集成度，获得复杂结构的多功能微电子机械系统，实现三维集成，需要把多个硅基片或硅集成电路粘接在一起，常用的粘接方法主要有硅与玻璃的阳极键合（又称为静电键合）和硅-硅的
18、直接键合。玻璃与硅片的静电键合是指：在一定温度下，,玻璃中碱金属离子的迁移率升高，电导率大大增加，此时玻璃已具有相当的导电能力。如在玻璃上加负电压，硅片上加正电压，则碱金属离子将不断地被吸引到负极，在靠近硅表面一个薄层的玻璃中形成带负电的空间电荷区，于是外加电压的大部分电势差就落在这个空间电荷区内，在玻璃与硅基片之间形成强大的静电力，从而使硅基片与玻璃紧密地接触在一起；同时，空间电荷层内强大的电场还会使玻璃表面附近的O2-与硅结合，反应生成一层薄的SiO2,这样在玻璃与硅片之间就形成牢固的化学键合。玻璃作为硅器件的衬底材料，具有优异的绝缘性能和绝热性能，器件的分布电容小，热噪声小，用作器件的封
19、盖时，不但具有透明性能，而且具有良好的气密性。硅与玻璃的静电键合温度也远低于硅-硅热键合的温度。因此，静电键合玻璃在微电子机械系统中的用途日益广泛。目前采用的键合玻璃为Pyrex玻璃、SD-2玻璃及95玻璃，存在的主要问题是封装温度高达450-500及封装电压高达1000伏，蚀刻速度也慢。而且因封装温度高，在硅基片中产生的热应力很大，影响硅器件的精度和灵敏度，严重时甚至导致器件的损坏。这给微电子机械系统的实用化带来困难，影响许多重点国防军事工程的进度。因此，寻求新型键合材料显得极为迫切。,静电键合用纳米微晶玻璃具有键合温度低（小于180）、键合电压小（500伏左右）、热膨胀系数与硅匹配、蚀刻速
20、度快及晶相颗粒尺寸为纳米级的技术特点，其成功开发应用可以从整体上提升现有的微电子机械系统的水平和质量，加速国防、军事工程建设的进度，促进现代科技的发展，将对21世纪的科学技术、生产方式及人类生活质量产生深远影响。显而易见，静电键合微晶玻璃是区电、DF-31A、DH-10、863-409等工程中的微机械惯性传感器将必须采用的关键材料之一，它的成功开发是确保上述国防军工建设项目顺利完成的必要条件之一。国内外主要用Pyrex玻璃、SD-2玻璃及95玻璃作为与硅基片的静电键合封装材料，这些玻璃具有较高的电阻率。因此，封装时所需要的温度高达500，封装电压高达1000伏，而且玻璃的蚀刻速度慢，这些因素给
21、封装工艺带来一定困难，也在一定程度上影响了MEMS的封装水平和整体质量。同时，因封装温度高，在键合过程中，产生的应力也大，影响加工件精度和器件灵敏度，严重时甚至导致器件破坏。近二年，日本Waseda大学电子信息与通讯工程系的研究人员利用现有的R2O-Al2O3-SiO2 系微晶玻璃进行了与硅基片的封装试验。键合可在小于180的温度下完成，键合效果较好。,初步试验表明，由我们研制的微晶玻璃的理化性能及封装工艺性能均优于Pyrex玻璃。可以认为：微晶玻璃将是替代现有静电键合玻璃、提高MEMS封装质量和整体水平的关键材料，也是微电子机械系统亟待开发的一种新型材料。国内在微晶玻璃的研究与开发方面已有一
22、定基础，已能通过科学地设计组成与工艺而控制析出晶体的种类、晶体含量、玻璃相含量及晶粒大小，对组成-结构-性能三者关系已有一定程度的了解，这为新型微晶玻璃材料的开发及性能的改进奠定了坚实的基础。在封装工艺方面，国内也有多个军工电子部门掌握了硅-玻璃的静电键合技术。在硅-微晶玻璃间的静电键合只需调整相关工艺参数。由于国内外在硅-微晶玻璃之间静电键合方面的开发研究尚处于初期试验阶段。,（八）纳米材料 1984年德国著名学者格莱特把6纳米的金属制成粉末压制成纳米块，制成了第一块纳米材料，开创了纳米材料的先河。1990年7月，在美国召开了第一届国际纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料作为材料科学的一个新
23、分支。所谓纳米材料，是指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm，在通常情况下不超过10纳米。众所周知，原子的半径在米数量级，而纳米=m。因此，在纳米尺寸范围，物质颗粒已经很接近原子的大小，此时，“量子效应”开始影响物质的性能和结构。量子化效应也即体积效应，体积小到一定程度时，原子的能级出现离散的现象以及由此而出现的效应。随着纳米颗粒尺寸的减少，纳米材料的熔点会大大降低，例如，金的熔点在一般情况下是1064，加工成10nm左右的粉末后熔点降到940。加工到2纳米左右，金在330就能够被熔化，这种性质对于加工某些高熔点陶瓷非常有用。普通陶瓷具有高强度，但没有足够的韧性，而
24、纳米陶瓷可解决这一问题,（九）信息技术与光纤材料 现代科学技术的高速发展，促使人类社会向信息时代转变，人类将依赖于对信息资源的开发、变换、传输和处理进行军事、政治、经济、生产经营、日常生活及科学研究等方面的活动。很多国家，特别是发达国家，当前都在制定信息高速公路的发展计划，对信息资源的争夺愈来愈激烈,其成功与失败在很大程度上依赖于各国所拥有的信息技术。而信息技术的发展在很大程度上又依赖于材料的发展。无疑，信息材料是信息技术发展的基础和先导。20世纪以来，信息技术是依靠电子学（electronics）和微电子学（microelectronics）技术发展起来的，如通信是从长波到微波，存储是从磁芯
25、到半导体集成，运算使用的器件从电子管发展到以大规模集成电路为基础的电子计算机等。这个时期的信息技术可称为电子信息技术，其特征是信息的载体是电子，相应的材料可称为电子信息材料及微电子信息材料。当代社会和经济的发展需求的信息量与日俱增，高容量和高速度信息的发展已显示出电子学和微电子学技术的局限性。由于光子的速度比电子速度快得多，光的频率比无线电波（如微波）的频率高得多，所以为了提高信息传播速度和载波密度，信息的载体必然由电子发展到光子。光子会使信息技术的发展产生突破。目前信息的探测、传输、存储、显示、运算和处理已由电子和光子共同参与来完成，产生的光电子学（photo-electronics）技术已
26、应用在信息领域，相应的材料可以称为光电子材料。,今后将更加注意光子的作用，继电子学、微电子学、光电子学之后，光子学（photonics）技术正在崛起，如美国将电子和光子材料、微电子学和光电子学技术列为国家的关键技术，并认为“光子学在国家安全及经济竞争方面有着深远的意义和潜力”，“通讯及计算机研究与发展的未来属于光子学领域”。从电子学到光电子学和光子学的发展是跨世纪的发展。可以认为：对于今后信息技术的发展，微电子材料是最重要的信息材料;光电子材料是发展最快的材料;而光子材料是最有前途的材料。从20世纪到21世纪信息技术和材料发展趋势示意如下：电子学（electronics）微电子学（microe
27、lectronics）光电子学（photo-electronics）光子学（photonics）电子材料（electronic material）微电子材料（microelectronic material）光电子材料（photo-electronic material）光子材料（photonic material）信息技术包括信息的获取、传输、存储、显示及处理等几个主要方面。这几个不同方面对材料有不同的要求。光学纤维在信息技术中有着非常重要的作用，主要用于信息获取、信息传输及信息放大等几个方面。下面从光学纤维的发展历史，光学纤维的制备，光学纤维的主要理化性能，光学纤维的应用等几个方面作一简要
28、介绍。,1光学纤维的发展 从1876年发明电话到20世纪60年代末，通信线路都是铜制导线，并且经历了从架空明线、对称电缆到同轴电缆的过程，到20世纪70年代，世界上干线通信使用的还是标准同轴管，每管质量达200kg/km。把光子作为信息载体，即用光纤通信代替电缆和微波通信是20世纪通信技术的重大进步。20世纪70年代，由于低损耗的熔石英光纤和长寿命半导体激光器的研制成功，使得光纤通信成为可能。1978年开始的第一代光纤通信光缆长10km，最高传输率不到100Mb/s。三年后，第二代光纤通信应用了单模光纤（模是指沿纤维内传输的电磁波型，单模则指只允许传输基模而其它频率的光波被截止）和处于熔石英光
29、纤最低色散波长（1.3m）的半导体激光器和探测器，光信号可以在光纤内以匀速传播，传输容量增加近十倍。第三代光纤通信应用熔石英光纤的最低损耗波长（1.55m）,配上该波长的半导体激光器，使之中继传输距离和传输容量又提高几倍。第四代光纤通信是采用波分复用技术，即同一路光纤中传输若干个不同波长的光信号，用外调制的分布反馈激光器达到高的信号传输率，用光纤宽带耦合器将几种波长的激光信号耦合入一条公用传输光纤，在信号终端用光纤光栅虑光器分离出几个波长的载波激光，再用检波器将信号分离出来。这种波分复技术使信息传输增加了几倍。在光子集成回路再加入宽增益频带的掺铒光纤放大器，就可以形成高容量和无中继距离传输的光
30、纤通信系统。,波分复用光纤通信图1.外调制分布反馈激光器；2.光纤宽带耦合器；3.光纤传输；4.光纤光栅虑光器；5.检波器 今后光纤将代替电缆从主干线逐步进入通信网络的各个层次，即进入区域（fiber to the zone），进入路边（fiber to the curb）,进入家庭（fiber to the home）和进入公寓（fiber to the apartment）,相干光通信、孤立子光通信和超长波长红外光通信被预见为第五代光通信。,发展新材料始终是光通信中的核心问题，减少材料对光的吸收与光散射损耗是一大研究内容。近年来，有人研制出大有效面积的新型光纤，如真波光纤（true wav
31、e fiber）、叶状光纤（leaf fiber）等，试图提高光纤的传光效率。由于光纤中的色散对高速信号也有严重影响，色散补偿器也是一重点研究对象。此外，还有一些辅助器件的研究开发也很活跃，如高稳定波长的半导体激光器，高速光调制器，光滤波器，光耦合器等。获取信息主要使用探测器和传感器，目前，光电子学技术是获取信息的主要手段。传感器可分为半导体传感器和光纤传感器。光纤传感主要基于外部世界各种物理量和化学量的变化引起光学参数（如相位、极化、波长、幅度、模、功率分布、光程等）的变化。国外对光纤传感器的研究始于70年代中期，1977年，由美国海军研究所主持，有五个公司参加，主要研究水声器、磁强计等水下
32、检测设备。1980年开始研究现代数字光纤控制系统，用光纤译码的光纤传感器代替直升飞机驾驶员的控制。1984年进行飞行试验，最终将实现用光纤的液压传动系统代替电源。其它研究包括光纤陀螺、核辐射监控、飞机发动机监控等传感器。英国于1982年以贸易工业部为首成立了英国传感器协会，研制高压光纤电流测量装置，光纤陀螺，水声器等。德国对光纤陀螺的研究规模和水平仅次于美国，居世界第二位。日本1979年-1986年实施“光应用计划控制系统”。此外，法国、瑞士、意大利等国也开展了光纤传感器的研究工作。我国在“七五”期间提出15个项目，主要研究光纤放射线探测仪，光纤位移、位置及角度传感器，光纤压力，光纤振动，加速
33、度计等，目前这方面的研究也开展得很活跃。,2.石英光学纤维的制备 光学纤维可分为阶跃型和梯度型二类。阶跃型光学纤维是由芯子和包覆芯子的包层组成，其中芯子是高折射率玻璃，它的直径为10-50m，包层是低折射率玻璃。光一边在芯子中传输，一边在芯子与包层之间发生界面全反射。梯度型光学纤维，折射率在芯部最高，随着向周围靠近，折射率呈抛物线形式减小。入射光与纤维轴具有一定角度的光在到达光学纤维外面之前，就被折射回到内侧，达不到纤维界面，而在光纤内传输。阶跃型 梯度型 光在光纤中的传输,表1 光学纤维的分类 芯 包 层 制 法 阶跃型 石英系 SiO2 SiO2+B2O3 SiO2+GeO2 SiO2 C
34、VD+熔融大火焰熔融 多组分 钠钙硼 钠钙硼硅 体系 硅酸盐 酸盐 棒管法、单坩埚法、双坩 埚法 梯度型 石英系 SiO2+GeO2 SiO2+B2O3 CVD+熔融 多组分 Tl2O+Na2O+PbO+SiO2 Tl2O+Na2O+B2O3+SiO2 离子交换 Li2O+Al2O3+SiO2 Li2O+CaO+SiO2,光纤的制备包括两个过程，即制棒和拉丝。为了获得低损耗的光纤，这两个过程都要在超净环境中进行。制造光纤时先要熔制出一根玻璃棒，玻璃棒的芯、包层材料可以都是石英玻璃。纯石英玻璃折射率为1.548，欲使光在光纤芯中传输，必须使纤芯中的折射率高于包层中的折射率，为此，在制备芯玻璃时，
35、均匀地掺入少量的比石英折射率高的材料，如GeO2,B2O3 等，这样的玻璃棒叫光纤预制棒。预制棒的预制方法包括化学气相工艺：MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)、PCVD(Plasma activated Chemical Vapor Deposition)、OVD(Outside Vapor phase Deposition)、VAD(Vapor phase Axial Deposition)，此外还有多组分玻璃熔融法、溶胶-凝胶法、机械成型法等。化学气相沉积法中发生的主要反应为：高温 GeCl 4+O2 GeO2+2Cl2 高温 SiCl4+O2
36、 SiO2+2Cl2 反应生成的GeO2可以提高纤芯的折射率。普通单模光纤中掺有3（mol）的GeO2,相应的纤芯折射率提高约为0.4。,制备方法1：将内径12mm，长约80mm的石英玻璃管至于气相沉积设备中，使氢氧喷灯沿石英管的长度方向往复移动，温度保持在1400左右。首先通入SiCl4、BCl3、O2混合气体，在使沉积物析出于管子内壁上的同时，通过喷灯的移动而使此沉积物转化为熔融态玻璃，形成B2O3SiO2玻璃层，或不加BCl3则形成SiO2玻璃层，但温度要高得多，然后将气体改换成SiCl4、GeCl4和O2，按同样方法在第一层上生成GeO2SiO2玻璃层。然后升温到1900，熔缩空腔，获
37、得预制纤维棒。制备方法2：将纤芯做成棒材，将包层做成管子，将光纤芯棒插入用作包层的管子中，然后进行加热，使两种玻璃软化，并拉成一根玻璃纤维。在玻璃纤维的拉制过程中，掌握玻璃的粘度-温度特征是重要的。由于石英玻璃熔体中SiO4的联接程度很高，导致其熔体粘度很大，因此成形温度也就很高，通常选104泊到4.5107泊的软化温度范围为作业温度。应变点。粘度为41014泊（=14.5）时的温度，在此温度，玻璃不能产生粘性流动，低于此温度，玻璃中的应力无法消除。退火点。粘度为1013泊（=13）时的温度，退火点是玻璃中消除应力的上限温度。软化点。粘度为4.5107（=7.65）mm，长2.3cm的玻璃丝被
38、加热以1mm/min速度伸长时的温度。流动温度。粘度为105泊（=5）时的温度，玻璃的成形大致以此温度为基准。操作温度。适应于玻璃成形操作的粘度时的温度，包括粘度从104泊到4.5107泊的软化温度范围。,下图是石英玻璃的粘度-温度曲线，从图可以看出，不同人做出的结果也是不同的。,石英玻璃的粘度-温度曲线,3.石英光纤的主要理化性能特点 石英光纤的损耗特性光在光纤中传播时，光功率随传输距离做指数衰减，一般用分贝（dB）表示光纤的损耗，记为，是稳态条件下每单位长度上的功率衰减分贝数，即=(10/z)lg(P0/Pz)(dB/Km)z为光纤长度，P为光功率，P0为z=0时的P值，Pz为z=z时的p
39、值。如果损耗是2 dB/Km，光传输一公里后有60%的光保留下来；如果光纤中的损耗是0.5dB/Km,约有90%的光保留下来。有三大类损耗：吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗。(1)石英光纤中的吸收损耗 石英光纤吸收损耗产生的原因有三个，即材料本征吸收损耗、杂质吸收损耗和原子缺陷损耗。本征吸收损耗 ASi-O键的红外吸收损耗：Si-O键在波长9m，12.5m和21m有分子振动吸收现象，它的吸收带的尾端延伸到1.2m波长，对通信波长造成的损耗值小于0.1dB/km，这种损耗也称为红外吸收损耗。B石英材料电子转移的紫外吸收损耗：石英光纤材料低能级态的电子吸收电磁能量而跃迁到高能状态，这个吸收的中心波长在
40、0.16m，但吸收谱可延伸至1m附近，对0.85m处的短波长通讯有一定影响。,C其它损耗：在制造石英光纤中用GeO2、P2O5、B2O3等掺杂剂来调节折射率变化，这些物质会产生附加损耗，浓度过大会带来越大的损耗，因此应避免较高的折射率 杂质吸收损耗 A金属离子的吸收损耗：主要是Fe、Cu、V、Cr、Mn、Ni和Co等，这些金属离子的电子跃迁要吸收能量，造成损失。当它们的含量降低到10-9以下时，可以基本上消除金属离子在通信波段的吸收损耗。BOH-离子的吸收损耗：OH-离子是光纤损耗增加的重要来源，OH-离子振动的基波波长位于2.73m处，它的次高谐波波长在1.39m，正好处于通讯窗口内，现代工
41、艺可以使该损耗峰低于0.5dB。原子缺陷吸收损耗 石英材料受热辐射或光辐射时引起的吸收损耗可以忽略不计。(2)光纤中的散射损耗 瑞利散射损耗：由于石英材料的密度不均匀和折射率不均匀造成的光功率损耗，这种损耗与光波长的四次方成反比，光波长大则损耗小。这是目前光通信向长波方向发展的原因。波导结构散射损耗：波导结构散射损耗是由于波导结构不规则导致模式间相互耦合或耦合成高阶模进入包层或合成辐射模辐射出光纤。,非线性效应损耗：当光纤中功率较大时，会诱发出受激喇曼散射和受激布里渊散射引起非线性损耗。(3)弯曲损耗和涂覆层造成的损耗 宏弯损耗：由于光纤放置时弯曲，不再满足全反射条件，使一部分能量变成高阶模或
42、从光纤纤芯中辐射出，引起损耗。微弯损耗：由于光纤材料与套塑层温度系数不一致，形变有差异，从而造成高阶模和辐射损耗。(4)光纤损耗的光谱特征 由于光纤存在许多损耗，使它的总损耗呈现如下图形。,石英光纤的损耗（dB/km）曲线,m间出现三个损耗高峰，所以出现三个相对低损耗的波段。这三个波段短波长窗口（第一窗口）0.85m,长波长窗口（第二、三窗口）1.3m、1.55m。1.55m处的理论最小损耗为0.15dB，是现代光纤发展的波长范围。石英材料光纤的色散特性 对于单模光纤，色散主要包括材料色散、波导色散；多模光纤还存在模间色散、偏振模色散等。现代光通信中基本都使用单模光纤。1.材料色散 光在光纤中
43、的传输速度为=C/n（），n（）是光纤的折射率，它是波长的函数，即同一材料对于不同波长的折射率不同。材料色散DM可表示为:DM=(2/2)(dng/d)=(1/c)(dng/d)ng为群折射率。当波长为1.276m时，dng/d=0，DM=0，该波长称为零材料色散波长。2.波导色散 由于波导结构不同，使同一模式的脉冲因频率不同而产生时延，因此调节光纤参数可以使波导色散在1.55um区抵消材料色散，实际上就是改娈零色散波长。这就是色散位移光纤、真波光纤和叶状光纤的设计原理。这些光纤的零色散波长分别被移到1.55、1.53和1.51处，与最低损耗波长相重合。,石英光纤的非线性特性 在电场作用下，材
44、料的极化强度P可以表示如下：P=PL+PNL=P（0）+P（1）+P（2）+P（3）+P（n）PL为线性极化强度，PNL为非线性极化强度，P（0）为没有电场作用时的静电偶极距，P（1）、P（2）、P（3）为一阶、二阶、三阶极化强度。极化强度与电场E有如下关系：P=P（0）+x（1）E+x（2）E2+x（3）E3+x（1）为一阶线性极化率，x（2）、x（3）为二阶、三阶极化率。如果电场为交变电场，即E=E0cos（t），上式可写为：P=P（0）+x（1）E0cos（t）+x（2）cos2（t）+x（3）E0cos3（t）+=P（0）+x（1）E0cos（t）+1/2E02x（2）1+cos（2t
45、）+1/4E03x（3）3sin（t）-sin（3t）+由于石英光纤中SiO4四面体的对称结构，x（2）0，一般不出现二阶非线性效应。光纤中最低阶的非线性效应来自于三阶极化率x（3），光纤中的非线性效应导致一些不利的影响，如受微拉曼散射（Stimulated Raman Scattering）,受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering），四波混频（Four wave Mixing），限制光纤的通信容量，并导致光纤波分复用系统中信通间串话。有利的方面是，单模光纤中的非线性效应可以利用其Raman散射产生新的频率，实现Raman光的放大；可以利用光克尔效应实现
46、光信号的全光处理等。,光纤的抗拉强度 在海底电缆系统、军用光纤系统和苛刻环境用光纤系统中，对光纤的可靠性提出了高要求。石英本身是一种硬度很高的易碎材料，强度极限是由Si-O键的键合力决定的。从理论上讲，外径为125m的石英光纤能承受张力为300N，然而由于光纤表面或内部不均匀性普遍存在，不可避免地存在污染和裂纹，这使得光纤的断裂强度大为降低（约为理论值的1/4）。光纤的高强度主要归功于包层之外的涂覆层，否则裸光纤的拉张力不足1N，极易断裂。涂覆层的另外一个作用是隔绝石英与水、酸、碱等介质，因这些介质的存在会导致石英光纤中裂纹的扩大，降低力学性能。目前密封碳涂覆光纤被认为是最好的，最有前途的，已
47、被应用于海底电缆和电力系统等苛刻环境中。影响石英光纤性能的主要因素对石英光纤来说，其内部结构可以认为是由SiO4四面体组成的完整的网络结构，因此，不存在网络连接程度对光纤性能的影响问题。影响光纤性能的主要因素如下：1.光纤中杂质的影响。如Fe3+、Ni2+、Co2+、TI3+、Cu2+等过渡金属离子，铂金粒子及OH-等，这些杂质离子在光的传输过程中会吸收光能，从而使光信号在传输过程中大大减弱。同时，因光纤中存在异种离子，会产生光散射损耗，解决途径是从原料及制备工艺上着手。,2.玻璃的不均匀性。玻璃总的来说是无定形非晶态物质，其内部质点从宏观上看是统计均匀分布的，但从微观角度看，往往会存在不均匀
48、现象，指SiO4四面体中Si-O键键角、键长，这种不均匀性会导致散射损失。3.纤维表面擦伤。在拉制纤维时，要充分提高温度，使纤维表面不被划伤，纤维表面的擦伤不仅影响机械性能，同时也会改变内部光线射向表面的角度。4.其它影响因素。表面的油脂能改变内部全反射的临界角，表面的尘埃会引起散射损失等。4.特种光纤材料 1.红外光纤材料 超长距离的海底通信呼唤着超低损耗光纤的问世。从理论上讲，红外光纤的损耗极限可达10-2dB/km，是极有前途的光通信材料。除通信外，红外光纤在医学、军事、工业和非线性光学方面都有重要应用，如激光手术刀，能量传输，红外遥感和探测。材料包括氟化物玻璃、硫化物玻璃、重金属氧化物
49、玻璃及聚合物光纤等。2光纤放大器 光纤放大器包括掺稀土元素光纤放大器，受激喇曼散射和受激布里渊散射光纤放大器。,掺稀土光纤放大器是利用光纤中掺杂稀土元素（如Er、Nd等）引起的增效机制实现光放大，优点是工作波长恰好落在光纤通信的波长区（1.3m-1.6m），结构简单，与线路的耦合损耗小，噪声低，增益高，缺点是难于与其它器件集成。受激喇曼散射及受激布里渊散射光纤放大器是利用光纤的非线性光学效应，受激喇曼散射产生的增益实现光放大。a)光纤光栅材料 光纤光栅的基本特征是一个反射式的光学滤波器，利用光纤光栅对波长的良好选择性，可以在光纤线路上实现超高速数据的波分复用和全光解复用。也可实现物理量的分布或传感，材料有掺Ge光纤，其原理是利用这种材料的缺陷的存在。b)光纤传感器 双绞型低双折射率光传感器，几何变形类传感器，还有前面所述的光栅传感器等。,三结束语 上面仅列举了少数无机非金属材料，可以看到，这些材料在推进人类文明方面发挥了非常重要的作用。除这些材料外，还有隐身材料、高温结构材料、电子材料、磁性材料等等大多都是无机非金属材料。,
