有機(jī)玻璃都是透明的？

【專家解說】：你知道玻璃嗎？ 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所 王開泰 如果我問大家：“你知道玻璃嗎？”大家一定會(huì)覺得很可笑，玻璃誰不知道呀！玻璃是透明的，硬而脆，容易敲碎。但如果我問大家：“玻璃是什么？它又是怎樣制造出來的呢？”在座的可能很少有人能正確回答。的確，講到玻璃大家都很熟悉。我們的住房用玻璃采光，汽車用玻璃擋風(fēng)；我們每天看電視，電視機(jī)的顯像管是玻璃做的；患有近視和老化眼疾朋友們戴的眼鏡是玻璃；照相機(jī)、攝像機(jī)、望遠(yuǎn)鏡都離不開光學(xué)玻璃透鏡；喝酒的朋友用的酒瓶、酒杯都是玻璃做的；裝飾用的工藝美術(shù)品，好多是用彩色玻璃做的；各種電光源都少不了玻璃外殼；指揮交通的紅綠燈、航空信號(hào)燈是用彩色玻璃做的等等。總之，可以毫不夸張地說，我們的日常生活一刻也離不開玻璃。玻璃之所以有如此廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗型该?、?jiān)硬、耐腐蝕、電絕緣等優(yōu)良性能，而且制造玻璃的原料豐富、價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)便，能用多種成形方法制成各種形狀的制品。 那么,玻璃是什么呢？我們知道固體材料可以分為有機(jī)材料和無機(jī)材料兩大類。有機(jī)材料有木材、塑料、有機(jī)玻璃、棉布、羊毛、尼龍等等。無機(jī)材料按照結(jié)構(gòu)可以分成單晶體、多晶體和玻璃三大類。單晶體有規(guī)則的外形和嚴(yán)格規(guī)則的結(jié)構(gòu)，例如紅寶石是氧化鋁單晶，水晶是二氧化硅單晶，金剛鉆則是碳的單晶。多晶體是大量小單晶的集合體，各種陶瓷、金屬都是多晶材料。玻璃是經(jīng)熔融、冷卻、固化而得到的非結(jié)晶固體。它的結(jié)構(gòu)在原子、分子范圍內(nèi)有一定規(guī)則（近程有序），但在宏觀范圍卻又沒有規(guī)則（遠(yuǎn)程無序）。它可以依靠模具做成各種形狀。玻璃的這種無規(guī)則結(jié)構(gòu)，決定了玻璃的下列特性： 1．各向同性，玻璃的質(zhì)點(diǎn)排列總的說來是無規(guī)則的，但又是統(tǒng)計(jì)均勻的，因此，它的物理、化學(xué)性質(zhì)在任何方向都是相同的。而晶體則是各向異性的。例：電阻率、導(dǎo)熱系數(shù)、透過率、折射率等。 2．無固定熔點(diǎn)，玻璃由固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w是在一定溫度范圍內(nèi)逐漸變化的。而晶體是有確定的熔點(diǎn)的，例如，冰（水的晶體）在0゜C融化。玻璃的這一特性使它可用吹、拉、壓等多種方法成形。 3．組成和性能的可調(diào)性，玻璃的性能可隨其成分在一定范圍內(nèi)發(fā)生連續(xù)和逐漸的變化。而晶體則具有固定的成分和確定的性能。這樣，我們就可以調(diào)節(jié)玻璃的成分，使它的性能滿足使用的要求。 玻璃是如何生產(chǎn)出來的呢？玻璃的生產(chǎn)工藝包括：配料、熔制、成形、退火等工序。分別介紹如下： 1． 配料，按照設(shè)計(jì)好的料方單，將各種原料稱量后在一混料機(jī)內(nèi)混合均勻。玻璃的主要原料有：石英砂、石灰石、長石、純堿、硼酸等。 2． 熔制，將配好的原料經(jīng)過高溫加熱，形成均勻的無氣泡的玻璃液。這是一個(gè)很復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)過程。玻璃的熔制在熔窯內(nèi)進(jìn)行。熔窯主要有兩種類型：一種是坩堝窯，玻璃料盛在坩堝內(nèi)，在坩堝外面加熱。小的坩堝窯只放一個(gè)坩堝，大的可多到20個(gè)坩堝。坩堝窯是間隙式生產(chǎn)的，現(xiàn)在僅有光學(xué)玻璃和顏色玻璃采用坩堝窯生產(chǎn)。另一種是池窯，玻璃料在窯池內(nèi)熔制，明火在玻璃液面上部加熱。玻璃的熔制溫度大多在1300~1600゜C。大多數(shù)用火焰加熱，也有少量用電流加熱的，稱為電熔窯。現(xiàn)在，池窯都是連續(xù)生產(chǎn)的，小的池窯可以是幾個(gè)米，大的可以大到400多米2。 3． 成形，是將熔制好的玻璃液轉(zhuǎn)變成具有固定形狀的固體制品。成形必須在一定溫度范圍內(nèi)才能進(jìn)行，這是一個(gè)冷卻過程，玻璃首先由粘性液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軕B(tài)，再轉(zhuǎn)變成脆性固態(tài)。成形方法可分為人工成形和機(jī)械成形兩大類。 A． 人工成形。又有（1）吹制，用一根鎳鉻合金吹管，挑一團(tuán)玻璃在模具中邊轉(zhuǎn)邊吹。主要用來成形玻璃泡、瓶、球（劃眼鏡片用）等。（2）拉制，在吹成小泡后，另一工人用頂盤粘住，二人邊吹邊拉主要用來制造玻璃管或棒。（3）壓制，挑一團(tuán)玻璃，用剪刀剪下使它掉入凹模中，再用凸模一壓。主要用來成形杯、盤等。（4）自由成形，挑料后用鉗子、剪刀、鑷子等工具直接制成工藝品。 B． 機(jī)械成形。因?yàn)槿斯こ尚蝿趧?dòng)強(qiáng)度大，溫度高，條件差，所以，除自由成形外，大部分已被機(jī)械成形所取代。機(jī)械成形除了壓制、吹制、拉制外，還有（1）壓延法，用來生產(chǎn)厚的平板玻璃、刻花玻璃、夾金屬絲玻璃等。（2）澆鑄法，生產(chǎn)光學(xué)玻璃。（3）離心澆鑄法，用于制造大直徑的玻璃管、器皿和大容量的反應(yīng)鍋。這是將玻璃熔體注入高速旋轉(zhuǎn)的模子中，由于離心力使玻璃緊貼到模子壁上，旋轉(zhuǎn)繼續(xù)進(jìn)行直到玻璃硬化為止。（4）燒結(jié)法，用于生產(chǎn)泡沫玻璃。它是在玻璃粉末中加入發(fā)泡劑，在有蓋的金屬模具中加熱，玻璃在加熱過程中形成很多閉口氣泡這是一種很好的絕熱、隔音材料。此外，平板玻璃的成形有垂直引上法、平拉法和浮法。浮法是讓玻璃液流漂浮在熔融金屬（錫）表面上形成平板玻璃的方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是玻璃質(zhì)量高（平整、光潔），拉引速度快，產(chǎn)量大 。 4． 退火，玻璃在成形過成中經(jīng)受了激烈的溫度變化和形狀變化，這種變化在玻璃中留下了熱應(yīng)力。這種熱應(yīng)力會(huì)降低玻璃制品的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。如果直接冷卻，很可能在冷卻過程中或以后的存放、運(yùn)輸和使用過程中自行破裂（俗稱玻璃的冷爆）。為了消除冷爆現(xiàn)象，玻璃制品在成形后必須進(jìn)行退火。退火就是在某一溫度范圍內(nèi)保溫或緩慢降溫一段時(shí)間以消除或減少玻璃中熱應(yīng)力到允許值。 此外，某些玻璃制品為了增加其強(qiáng)度，可進(jìn)行剛化處理。包括：物理剛化（淬火），用于較厚的玻璃杯、桌面玻璃、汽車擋風(fēng)玻璃等；和化學(xué)剛化（離子交換），用于手表表蒙玻璃、航空玻璃等。剛化的原理是在玻璃表面層產(chǎn)生壓應(yīng)力，以增加其強(qiáng)度。 講玻璃必定要提一下它的一個(gè)重要新發(fā)展——微晶玻璃。由于晶體的性能優(yōu)于玻璃，而玻璃則具有易于制造的優(yōu)勢(shì)，于是人們自然會(huì)想到能否把兩者結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)呢？回答是肯定的，這種結(jié)合就是微晶玻璃。微晶玻璃是通過附加的熱處理，使玻璃基體中長出大量均勻分布的微小晶體（微米級(jí)），而形成的一類新材料?；蛘哒f是一類用玻璃工藝制得的具有陶瓷性能的材料。它集中了玻璃和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)。如果說人類制造玻璃已有五千多年歷史（最早是在古埃及），那末，微晶玻璃是20世紀(jì)50年代才出現(xiàn)的一類新型材料。 除了我們上面已提到的玻璃在日常生活中有著極其廣泛的應(yīng)用之外，玻璃在高科技領(lǐng)域有極其重要的地位。下面我們僅舉一些例子： 1． 激光玻璃，玻璃是激光器的主體（工作物質(zhì)），激光在其中產(chǎn)生。激光已廣泛用于激光定向、激光測(cè)距、激光打孔及激光手術(shù)。尤其是由于激光束可以聚焦成極小的點(diǎn)子，能量密度極高，可用來啟動(dòng)核聚變反應(yīng)。激光誘發(fā)核聚變與磁控聚變相結(jié)合，已成為產(chǎn)生可控?zé)岷四艿闹饕緩健＃ㄎ覀冎锌圃河羞@個(gè)項(xiàng)目。） 2． 光導(dǎo)纖維（簡(jiǎn)稱光纖），光纖通過光在其內(nèi)部全反射，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳光而損失及小。由于光纖可任意彎曲，從而使光線拐彎，進(jìn)而，光纖、光纜的出現(xiàn)使光通訊得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)已進(jìn)入社區(qū)的寬帶網(wǎng)就是基于光通訊。此外，利用光纖可以彎曲已做成內(nèi)窺鏡（胃鏡、腸鏡）和激光手術(shù)刀，實(shí)現(xiàn)了無創(chuàng)傷手術(shù)。 3． 導(dǎo)彈、飛船的雷達(dá)天線罩，天線位于導(dǎo)彈、飛船的頭部，因此天線罩必須有高強(qiáng)度、能承受高溫且有低介電損耗。它是用微晶玻璃或石英玻璃做成。（我們所有做過。） 4． 天文望遠(yuǎn)鏡，天文望遠(yuǎn)鏡的玻璃透鏡很大，且為保持高度精確，要求一年四季尺寸不變，它是用零膨脹微晶玻璃做成的。這種微晶玻璃是通過在玻璃中析出負(fù)膨脹的微晶體與基礎(chǔ)玻璃的膨脹相抵消，使微晶玻璃的膨脹系數(shù)接近于零。 此外，還有用于紅外夜視儀的透紅外玻璃；用于復(fù)印機(jī)磁鼓的硫系玻璃；在微電子技術(shù) 上用作基片的鋰系微晶玻璃；用作人造牙齒、人造骨頭的生物微晶玻璃；用作自動(dòng)太陽鏡的光致變色玻璃；稱為眼鏡超薄片的高折射率玻璃；用于雙光眼鏡的梯度折射率玻璃；用在交通指示牌上的玻璃微珠；以及用作長效肥料的磷酸鹽玻璃。玻璃還是處理放射性核廢料的最好方法，即把放射性廢物轉(zhuǎn)變成化學(xué)穩(wěn)定的玻璃。 總之，玻璃在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)與我們的物質(zhì)文化生活中占有極重要的地位?？茖W(xué)技術(shù)的進(jìn)步離不開新材料的發(fā)展，新材料是科技發(fā)展的急先鋒，反之，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)材料的創(chuàng)新。可以預(yù)言，作為材料科學(xué)的重要組成部分，玻璃在未來將會(huì)有更輝煌的發(fā)展，不斷造福于人類！