玻璃（Glass）（三）

玻璃（Glass）（三）
臺北市立第一女子高級中學化學科何鎮揚老師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

特殊玻璃
一、特種玻璃
1. 鋼化玻璃
鋼化玻璃是一種表面增強的高強度玻璃。位於玻璃表面的缺陷是使其產生一般低強度的決定因素，這些缺陷降低了材料所能承受的張應力。如果能在玻璃表面層中產生“永久性”壓應力，就可使玻璃製品的強度比常規狀態高。要使這樣的製品發生斷裂，就需要較高的張應力。這是因為在使這類表面缺陷承受張應力之前，必須先克服表面的壓應力。經過處理而使表面處於壓應力狀態的玻璃被稱為鋼化玻璃。

使玻璃表面層產生壓應力可以用熱處理或化學處理的辦法。在熱處理鋼化方法中，將玻璃成品放入電爐中加熱至接近軟化點的溫度然然後從爐中取出，用多管式空氣噴槍進行快速冷卻。這種處理稱為風冷淬火。另外，矽油、石蠟、樹脂焦油也可作為淬火介質，為液冷淬火。也還有用鹽類做淬火介質的。這後兩類介質常用於厚度小於2.5~3 mm的玻璃製品，此時玻璃表面層迅速變硬，但表面的初期熱收縮引起了仍處於接近軟化點的中間層中的黏流，當中間層最終冷到能發生明顯的黏滯弛豫溫度之下時，在玻璃的厚度方向將出現一個溫度梯度。直到玻璃體在室溫中達到熱平衡狀態時，這個溫度梯度才得以消除，而在這個過程中，較熱的中間層必將比接近表面的部分發生較大的收縮。這個收縮差將導致內應力，該應力在接近表面處為壓應力，在中間層則為張應力。

2. 無色光學玻璃
無色光學玻璃是應用最為廣泛的一類光學材料，性能上強調在可見光波長範圍內具有極低吸光特性，有色過渡金屬離子及稀土元素在玻璃原料中即使很低含量，也可引起明顯的吸收和雜色結果。因此，五色光學玻璃製造對純化過程要求比較高。玻璃的光學性質取決於化學成分，早期在光學玻璃中加人鋇、鋅、硼、磷等的氧化物，製得輕冕玻璃、硼冕玻璃和鋅冕玻璃，折射率1.5左右，至今仍廣泛應用。加入氧化鉛後成為火石玻璃。在冕牌玻璃中，隨著氧化鋇含量的增加，折射率增加，分成鋇冕及重冕玻璃。火石玻璃中，隨著氧化鉛含量釣增加，折射率增大。20世紀40年代以來，隨著光學系統的發展，為了擴大光學常數的範圍，在玻璃中加入新的化學成分，玻璃品種日益增多。例如，加入氧化鑭及其他稀土氧化物形成高折射率低色散的鑭冕和鑭火石玻璃品種系列；加入二氧化鈦及氟化物形成高色散的特冕和鈦火石玻璃；以磷酸鹽和氟磷酸鹽為基礎發展了低折射率低色散玻璃（如氟冕和磷冕玻璃）。除化學成分、結構外，光學玻璃對起泡、非均勻顆粒等雜質的限制亦相當嚴格。

3.導電玻璃
ITO透明導電玻璃（indium tin oxide glass，ITO glass）是一種科技含量高的特種鍍膜玻璃，也是電子工業的基礎材料，主要用於生產液晶顯示器件（LCD）。液晶顯示器（LCD）體積小、重量輕、厚度薄、無輻射、電壓低、節能環保，所以它是當今國際上最受重視和歡迎的顯示器件。它在計算機、通訊、家電、儀器儀表、軍工、輕工、醫療等各個領域得到了廣泛的應用，是目前電子工業中用途最廣泛、發展最迅速的一類產品。

ITO導電玻璃是在鈉鈣基或矽硼基基片玻璃的基礎上，利用磁控濺射的方法鍍上一層氧化銦錫（俗稱ITO）膜加工製作成的。液晶顯示器專用ITO導電玻璃，還會在鍍ITO層之前，鍍上一層二氧化矽阻擋層，以阻止基片玻璃上的鈉離子向盒內液晶裏擴散。高檔液晶顯示器專用ITO玻璃在濺鍍ITO層之前基片玻璃還要進行拋光處理，以得到更均勻的顯示控制。液晶顯示器專用ITO玻璃基板一般屬超浮法玻璃，所有的鍍膜面為玻璃的浮法錫面。因此，最終的液晶顯示器都會沿浮法方向，規律的出現波紋不平整情況。

ITO膜層的主要成分是氧化銦錫。在厚度只有幾千埃的情況下，氧化銦透過率高，氧化錫導電能力強，液晶顯示器所用的ITO玻璃正是一種具有高透過率的導電玻璃。由於ITO具有很強的吸水性，所以會吸收空氣中的水分和二氧化碳並產生化學反應而變質，俗稱 “黴變”，因此在存放時要防潮。ITO層在活性正價離子溶液中易產生離子置換反應，形成其他導電和透過率不佳的反應物質，所以在加工過程中，盡量避免長時間放在活性正價離子溶液中。ITO層由很多細小的晶粒組成，晶粒在加溫過程中會增大。ITO層在酸液中可刻蝕，蝕刻液為37 % HCl：H2O：67 % HNO3＝50： 50：3。
ITO導電玻璃按電阻分，分為高電阻玻璃（電阻在150~500 Ω）、普通玻璃（電阻在60~150 Ω）、低電阻玻璃（電阻小於60 Ω）。高電阻玻璃一般用於靜電舫護、觸控螢幕製作；普通玻璃一般用於TN類液晶顯示器和電子抗干擾；低電阻玻璃一般用於STN液晶顯示器和透朋線路版。

4. LCD專用平板玻璃
液晶顯示器LCD所用之玻璃基板大致可分為鹼玻璃及無鹼玻璃兩大類。LCD在兩片玻璃基板間注入液晶，可能存在Na離子遷移的問題，TFT-LCD在製造過程中，如果侵入鹼離子，就會破壞半導體功能，因此只能使用無鹼玻璃。因此，TFT-LCD製造一般都使用低鈉的無鹼玻璃作基板。無鹼玻璃以無鹼矽酸鋁玻璃，（alumino silicate glass，主成分為SiO2、Al2O3、B2O3及BaO等）為主，其鹼金屬總含量在1 %以下。領導廠商為美國康寧（Corning）公哥，以溢流熔融法製程生產為主。TN-LCD、STN-LCD對玻璃基板的鈉含量要求不如TFT-LCD苛刻，可使用低鹼玻璃、鹼硼酸玻璃。主要生產廠商有日本板硝子（NHT）、旭硝子（Asahi）及中央硝子（Central Glass）等，以浮式法製程生產為主。由於鈉石灰玻璃有SiO2覆層，所以能夠獲得與上述材料同等效果的性能，因而主要使用的還是鈉石灰玻璃。

5. 光纖玻璃
光以波導方式在其中傳輸的光學介質材料，簡稱光纖。光導纖維由纖芯和包層兩部分組成。有兩種纖維結構可以形成波導傳輸，即階躍（折射率）型和梯度（折射率）型；階躍型光導纖維的纖芯與包層間折射率是階梯狀的，纖芯的折射率大於包層，入射光線在纖芯和包層間介面產生全反射，因此呈鋸齒狀曲折前進。梯度型光導纖維的纖芯折射率從中心軸線開始向著徑向逐漸減小。因此，入射光線進人光纖後，偏離中心軸線的光將呈曲線路徑向中心集束傳輸，光束在梯度型光導纖維中傳播時，形成週期性的會聚和發散，呈波浪式曲線前進。故梯度型光導纖維又稱聚焦型光導纖維。

光導纖維按化學組成分為熔石英玻璃光纖、氟化物玻璃光纖和硫化物玻璃光纖等。按應用又分為通信光纖，主要用於光纖通信代替同軸電纜和微波通信；傳感光纖，用於製造光纖傳感器，具有靈敏度高、抗干擾性強等優點；傳光光纖，用於傳輸鐳射，已在鐳射加工、鐳射醫療等設備上發揮了作用；鐳射光纖，可用作高增益的光纖雷射器和放大器。光學上把具有一定頻率、一定的偏振狀態和傳播方向的光波稱做光波的一種模式。只允許傳輸一個模式光波的光導纖維稱為單模光導纖維；允許同時傳輸多個模式光波的光導纖維稱為多模光導纖維。

目煎最常見的光纖是階躍型石英光纖，纖芯材料為摻雜GeO2的高純度石英，由摻雜適應預製棒在高溫爐內熔融拉製而成，纖芯直徑約數十至數百微米，可以較大幅度彎曲，所傳播的光信號通常處於近紅外區段，如0.85 pm、1.35 pm、1.55 pm波長的鐳射資訊。近紅外光信號一般容易被含氫化學鍵強烈吸收，在光纖中可造成信號快速衰減。與石英光纖相關的含氫化學鍵主要來自矽羥基（≡SiO－H），纖芯材料中與氫原子相關的化學鍵基本上都能造成信號衰減，因而，通常將纖芯材料中的含氫量作為評價光纖品質的關鍵指標。在原材料加工、熔融拉製光纖工藝過程中，都需要嚴格控制，盡可能降低原材料中吸收雜質含量，保證獲得高純度石英。同時，拉製程中盡量避免出現羥基結構。現代光纖通訊也在同時開闢更大波長的信號窗口；避開羥基吸收。

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