1、,特种陶瓷材料及工艺,授课教师：蒋百灵 教授,材料科学与工程学院,根据化学键特征，纤维可分为无机、有机、金属三大类。而对于无机纤维，如按材料来源，可分为天然矿物纤维和人造纤维；按化学组成，可分为单质纤维（如碳纤维、硼纤维等）、硬质纤维（如碳化硅纤维、氮化硅纤维等）、氧化物纤维（如石英纤维、氧化物纤维、氧化锆纤维等）、硅酸盐纤维（如玻璃纤维、陶瓷纤维和矿物纤维等）；按晶体结构，可分为晶须（根截面直径约数十微米，长约几厘米的发形或针状单晶体）、单晶纤维和多晶纤维；如按应用，还可分为普通纤维、光导纤维、增强纤维等。本章着重介绍在现代高科技领域发挥重要作用的玻璃光导纤维和先进复合材料用无机增强纤维。,
2、光导纤维（简称光纤）是用高透明电介质材料制成的外径约为125200微米的非常细的低损耗导光纤维，能使光在高、低折射率界面通过全反射而独立地、高效地传光。为了使实际使用中所传递的光有足够的亮度，并利用纤维传光的独立性进行传像，把许多纤维集合起来规则地排列成长束状元件使用，并能用于光或像的弯曲传递。如将这些纤维粘合成块，切成平片，在各种光电系统中能用作具有高的光学耦合效率和很小的畸变的传光介质。玻璃材料具有高的的光学均匀性和透明性，满足一定光学常数要求，良好的化学稳定性及机械强度、表面平滑等的特性，是制造光导纤维的最基本材料，从而形成了新型无机材料的一个重要领域。,6.1 光导纤维,6.1.1光导
3、纤维结构与特性参数它由一个高折射率的芯外包以低折射率的皮层组成，其横截面的结构如图所示。光纤的导电能力取决于纤芯和皮层的性质。由于这种光纤很脆，不能付诸实际应用。要使它具有实用性，还必须使它具有一定的强度和柔性，采用图所示的三层芯线结构。在光纤的外面是一次被覆层，主要目的是防止光纤的玻璃表面受损伤，并保持光纤的强度，因此，在选用材料和制造技术上，必须防止光纤产生微弯或受损。根据芯层折射率的分布，光纤有三种基本的波导结构，分别为 阶越型多模光纤 梯度型多模光纤 单模光纤。,6.1 光导纤维,6.1.2光导纤维制备工艺 不同种类、不同用途及不同性能要求的光导纤维采用不同方法制备。 1）捧管法,6.
4、1 光导纤维,是最简便的光导纤维制备方法。如图所示，将棒-管组合件逐渐送入炉内，下端抽出的丝缠绕于鼓轮上。用此法可制得芯径小于15m的单丝，在工艺上要求芯、皮料的对应面要精确抛光。,6.1.2光导纤维制备工艺 2）双坩埚法 通常用于多组分玻璃光纤的制备。多组分玻璃光纤的成分除石英外，还含有氧化钠、氧化钾、氧化钙、三氧化二硼等其他氧化物。采用尾部带漏管的内外层同心而上下底又相通的锥形铂坩埚，,6.1 光导纤维,把经过精致提纯的折射率不同的芯、皮玻璃料分别加在坩埚内外层中，玻璃料精加热熔化后从漏管中流出，在坩埚下方有一个告诉旋转的鼓轮，将熔融状态的玻璃拉成一定直径的细丝。,6.1.3 玻璃光导纤维
5、对玻璃材料的要求 1）对玻璃光学参数的要求 包括折射率；光透过率；玻璃缺陷。 2）对玻璃物化性能的要求 包括黏度；软化点；热膨胀系数；玻璃组成；光纤玻璃的相容性。,6.1 光导纤维,6.1.4 光导纤维的应用 1）光导纤维可应用于光通讯：光导纤维制成的元件数值孔径可远大于1而不受界面大小的限制，作成长束状时可弯曲传光、传像。目前有价值的是用作低损耗的光通讯传输元件是光导纤维的最重要应用领域，与同轴电缆的微波通讯系统相比，光纤通信具有通信容量大、抗电磁干扰、尺寸小、质量轻、耐辐射和价格便宜、易于铺设等优点。 2）光导纤维可应用于激光器：玻璃光纤有极低的光损耗，又可以方便地掺入各种稀土激活离子，其
6、几何尺寸容易与通讯光纤耦合和焊接，因而很早就有玻璃光纤激光器作为光通讯光源和中继放大器的研究。 3）光导纤维可应用于传感器：传感器是目前各种测试仪器的关键部件，也是自动化控制、近代机器人的重要部件。光电子技术的发展，将传统的以电子作为信息载体的各种器件代之为以有更高速度、更大信息量、更高信噪比的光子作为信息载体的器件，实现了近代电子仪器的换代革新。在这个过程中，各种光纤传感器起到了先驱者的作用。,6.1 光导纤维,黏结在基体内以改进其机械性能的高强度材料，称之为增强材料，也称之为增强体、增强相、增强剂等。增强体按来源区分有天然和人造两类，但在先进复合材料（ACM）中天然增强体已很少使用；若按形
7、态区分则有颗粒（零维）、纤维（一维）、片状（二维）、立体编织物（三维）；如果按化学特征来区分，即有无机非金属类（共价键）、有机聚合物类（共价键、高分子链）和金属类（金属键）。可用作增强体的材料品目繁多，其中多数先进复合材料是用高性能纤维以及用这些纤维制成的二维、三维织物作为增强体。图所示出了一些常用增强纤维的的强度和模量。从图中可以看出，无机纤维如中高强度碳纤维和高模量碳纤维是出类拔萃的，而碳化硅纤维和硼纤维也具有很好的力学性能。,6.2 增强纤维,6.2.1纤维增强复合材料的增强效应 结构复合材料的目的是获得最佳强度、刚度、韧性等力学性能。在纤维增强复合材料中，纤维是材料的主要承载组分，其增
8、强效果主要取决于纤维的特性，纤维与基体间的结合强度，纤维的体积分数、尺寸和分布。 影响复合材料强度的因素： 纤维的长径比 长径比大使增强效果好，因为纤维的直径越小，其表面积越小，由表面缺陷（裂缝）引起的脆性断裂亦相应减小。 纤维的含量和方向 在复合材料中，纤维所含的体积分数大时，能增加材料的强度和刚性，且与纤维的方向密切相关。,6.2 增强纤维,6.2.2 纤维增强的特性与种类纤维在性能方面有两个特点，即柔韧和高强。实际上，纤维的比强度和比弹性模量均特别高。比强度和比弹性模量是衡量纤维材料的重要指标，前者是指单位质量材料的强度，其比值等于强度与密度的比；后者是指单位质量材料的弹性模量，其值等于弹性模量与密度的比。,6.2 增强纤维,6.2.3 新型无机增强纤维品种与性能新型无机增强纤维又称高性能增强纤维，是20世纪90年代以来，为满足复合材料的高性能（高强度、高模量）化、多功能化、小型化、轻量化、智能化及低成本的发展需求，在一批高科技里已开发出许多新品种、新技术、新工艺和新设备，推动了高性能纤维的发展。其中已广泛应用的新型无机增强纤维品种有碳化硅（CF）、碳化硅系列纤维、氧化铝纤维、特种玻璃纤维等。,6.2 增强纤维,谢谢观赏！,
