射入光纤中心内的光束都能保持在其中。
激光器是一种能够产生高能光束的器件，它能产生具有全部同相地（协调地）、同波长的光束。高强激光器可用于局部加热或熔化，但是某些类型的激光器也可以产生非常纯的调制光信号，因此适于产生编码光束用于光纤通讯。考虑到通讯功能，激光必须进行充能（激发），即需要输入一定的能量，从而为产生激光提供必要的不稳定的能量。脉冲激光器通常利用极亮的闪光充能（激发），这些激光器有特殊的掺杂玻璃制成或是单晶体，如Cr掺杂Al2O3（红宝石激光器），或Nd掺杂钇铝石榴石（YAG激光器）。其他类型的激光器能够产生连续输出的激光，所以必须连续的充能，通常利用电能。一种特别有趣的连续激光器可以由半导体或选择性掺杂绝缘晶体制成，使其制成pn结。当直流电压沿一个方向通过该pn结时，电子向p边而空穴向n边移动。在pn结处过剩的电子和空穴重新结合将会释放光能，使连接处发光。当输入的电能小，产生的光波不同相（不协调），发光的pn结被称为发光二极管（LED）。LEDs非常适于制备各种电子显示器件。当输入的电能大而且满足某些其他的几何需求时，pn结发出的光就是强烈且同相的（协调的），pn结就是一个激光器。在发射激光模式下，发射光的亮度随充能（激发）的电信号的大小而变化，而且当激发信号降低到某一值阈以下激光发射行为突然中断。因此，二极管激光器非常适于将电信号转化成可调制光束，从而在光纤通讯系统中作为信号发生器具有重要价值。
透明的多晶光电材料，如PLZT陶瓷，能用于许多装置中，在这些装置中，通过改变随电场变化的材料的光学特性，可以调节极化光束的透过率。这些应用包括保护飞行员和其他核爆或激光武器人员的的快速暗色窗，电焊工的护目镜，光学器件的闭门，光学显示器件甚至是图像存储元件。如果打算将多晶陶瓷用于透明材料，那么为了消除气孔和夹杂对光的散射作用，从粉末制备到成型和烧结整个制备工艺都要非常仔细。通常都是利用热压烧结的方法制备这种陶瓷从而保证消除气孔。
第10单元 生物陶瓷：陶瓷在医学方面的应用
用于医学也就是外科手术移植方面的材料，包括金属、塑料、纺织品、橡胶和陶瓷。生物材料，大体上可以定义为：（1）长期植入人体组织中的材料，如动脉和牙齿修补物，器官假体（心脏，血管），人工关节（髋，膝盖）；（2）延长与导管、组织或骨头连接时间的产品；（3）短期与组织或骨头联系的产品如探测器（探针）或检测工具；（4）血或血浆的采集材料；（5）外科手术时用的工具设备。
因此本文中所用的额陶瓷材料应该满足以下一些或全部的要求：高化学惰性；对周围组织无有害作用；具有较长的寿命；好的强度和疲劳强度；对新陈代谢无影响。
所有这些要求可以概括为生物相容性。生物相容陶瓷也叫生物陶瓷，包括纯氧化物（氧化铝，氧化锆）；复杂氧化物（羟基磷灰石，磷酸钙）；碳；纤维增强碳复合材料以及玻璃（也叫生物玻璃）。这些材料可用于承载或非承载功能，可以是可重新吸收或不可重新吸收生物材料，也可以是结构零件或作为由其他材料制成的手术移植物的镀层。
承载应用的大体上都是不可重新吸收材料，其中包括，膝盖和髋部植入物；牙齿植入物，骨板；人工心脏瓣膜；人工腱及有些金属假体的镀层。
非承载应用主要是临时性的空间填充物，他可以渗透到再生的生物组织中而被重新吸收。这种材料可用于上颌面创伤，或作为复合骨板。在恢复阶段这种陶瓷材料溶解在周围的母体组织中并长在周围支撑的组织或骨骼中。根据不同的功能需要，材料可以或快或慢的分解。
生物材料主要可分为三大类：生物惰性材料，可在吸收材料和生物活性材料。像Al2O3和四方ZrO2聚晶等氧化物陶瓷及生物碳都是生物惰性材料。磷酸钙是可重新吸收材料，羟基磷灰石和生物玻璃是生物活性材料。生物惰性材料多用于承载应用。基本上可重新吸收材料是受欢迎的，因为原来的集体组织将会取代他们，但随着他们被化学溶解或裂解，这些可吸收材料也会逐渐劣化。因此这种材料不能用于承载条件。生物活性材料是那些易于在生物组织与植入物界面上产生化学键的材料。这种材料既能用于承载应用也能用于非承载应用（例如金属植入物的镀层）。
生物活性玻璃和微晶玻璃植入物用于替换由慢性感染受损的中耳小骨头已经有十几年的历史了。用于中耳骨替换物的生物活性玻璃植入物其寿命比同样条件下的生物惰性植入物的寿命还要长很多。生物惰性植入物不与中耳结合，因此逐渐被生物组织腐蚀2~3年内便被挤出中耳。相反，高生物活性玻璃可与中耳的骨胶原结合，也可与镫骨底座残余骨头牢固结合从而与两端锚挂，防止被挤出。声音传导效果极好，没有削弱声音传播的纤维状组织生长。
生物活性玻璃的临床应用最重要的就是解决影响几千万人的牙龈疾病这一临床问题，将其微粒涂抹于患有牙龈疾病的牙齿周围。45S5生物活性玻璃材料能够诱导在生物活性玻璃颗粒周围形成新的骨头。由于新骨的形成速度，阻止了皮膜组织迁移在牙齿上；如果在牙齿和修复骨之间的空隙没有东西填充的话这原本是一个常见的难题。生物活性玻璃颗粒使得牙齿与压根膜之间的结合稳定，所以牙齿得到保护。
生物活性移植入的最重要的临场应用是用于修复脊椎的高强度高断裂韧性的A/W生物活性玻璃-陶瓷。这种材料的制备方法是先将粒度为5微米的玻璃粉末致密化成为想要的形状，然后与氧氟磷化物与钙硅酸盐矿沉淀得到无孔无缝，致密均匀的微晶玻璃。1080MPa的高的抗压强度和215MPa的高抗弯强度，2.0MPa·m1/2的高断裂韧性；与骨骼的高界面结合强度；以及在生理承载条件下优异的抗降解性能，这些均不容置疑地证明这种材料可在外科手术上用于取代缺损的脊椎骨。
第11单元 先进结构陶瓷
当材料的应用性依赖于陶瓷的机械性能和他们的耐熔性-即陶瓷对工作环境的化学抵抗能力时，由工程陶瓷组成的结构部件可用作为与金属组合或取代金属的块片状材料、涂层和复合材料。Ni超耐热不锈钢普遍应用于汽轮机燃烧室部件的主要高温材料。它们的熔点在1573K，最高工作温度接近1300K。与金属相比，陶瓷通常更抗氧化、腐蚀、蠕变和磨损，而且还是良好的热绝缘体。在高温下他们比超耐热不锈钢具有更高的熔点和强度，因此陶瓷材料，尤其对氮化硅而言，主要且潜在的应用是用在汽轮机和往复式发动机方面：陶瓷比金属能承受更高操作温度，能使这些机械达到更大的能效。热压烧结SiN（HPSN），热压烧结SiC（HPSC），热等静压烧结SiN（HIPSN），无压烧结SiN（SSN），无压烧结SiC（SSC），反应烧结SiN（RBSN）及反应烧结SiC（RBSC）的强度提高如图所示。尽管陶瓷能够提高发动机效率，但是SiN的烧结在过去三十年里发展却很缓慢，主要是因为制备接近公差尺寸的致密部件的重复性太差。
SiN具有两种相，α和β相。β相是由SiN4四面体通过共享角顶在三维空间中连接而成的。Si有可能被Al取代，而N被O取代从而使晶体保持电中性。最终的Si-Al-O-N固溶体就是大家熟知的β’sialons陶瓷，它的结构已Si3N4而著名，成分范围为Si6-bAlbObN8-b（0 至于材料的性质，陶瓷呈现出很好的抗热震性能。例如钛酸铝具有很小的热膨胀系数，表现出极高的抗热震性能。钛酸铝由于具有较低的热导率（2Wm-1K-1）而用于汽车发动机的气门内衬，它能够减少流向气缸体的热量，从而降低汽缸体的冷却需求。微晶玻璃已经应用于烹饪用具，餐具，热交换器，真空管元件及导弹整流罩。1975年不完全稳定氧化锆发明出来，由于其具有较高的断裂韧性因此其适于抵抗机械振动和热振动。例如挤压铜管和铝管的模具，柴油机的凸轮从动件工作面，阀导，气缸内衬和活塞帽，造纸机的耐磨耐腐蚀喷嘴，压片模具剪刀和刀子的耐磨夹层。 不是所有的陶瓷部件都要具有高温强度。TiB2的高杨氏模量（550GPa）使得其非常适于做装甲钢板镀层然而陶瓷良好的化学稳定性使其非常适于作为密封材料。因此，烧结SiC用来作机械密封和滑 动轴承，然而不能被玻璃和液态金属润湿的BN则制成分离环应用在钢的水平连续铸造工艺中。比SiC还硬的陶瓷BC适于耐磨应用，像喷砂喷嘴Si3N4也可作为滚球轴承。 工程陶瓷的一项成熟的工业应用就是作为钢切削工具，其中赛龙陶瓷和氧化锆增韧Al2O3陶瓷的红硬性及其与金属的低反应活性是非常理想的。切削工具在切削过程中切削刃要承受极端的机械载荷及化学和热的作用。切削道具平均仅2mm2的接触面积其能量传输功率就为45kW。尤其在最第一次切削过程中，任何切削中断及切削深度的变化都会使复杂的切削动力达到5000N。在高的切削速度下，切削刃的温度可能会超过1000℃。显然，在这么高的温度下，金属容易产生塑性变形，切削工具与工件之间容易发生扩散，在这一温度下还容易产生氧化剥落。陶瓷切削工具不会产生这些问题因此对高的切削速度及高的切削刃温度也就不敏感。 最新的材料研究目的是通过纤维或晶须与陶瓷的结合进一步提高陶瓷的强度。晶须增强陶瓷复合材料使准柔软强度行为成为可能。晶须增强原理是基于下列机理的活化作用：通过采用高杨氏模量的晶须，将应力由基材上转移到高强的增强介质上；通过引入高热膨胀系数的晶须使基体中产生压应力；由晶须阻止裂纹的扩展；使裂纹沿晶须-基体的界面转移；和通过晶须与基体的机械和热性能的差异产生微裂纹化。然而，晶须与基材的结合力需要足够低以保证在受力的时候晶须从基材中拔出而不是将他们撕开。在晶须增强陶瓷中所有这些机制可能共同作用。 第三部分 玻璃 第12单元 玻璃的结构 1. 玻璃的结构 不管全世界的玻璃工艺如何发展，我们仍然很难明确回答这个问题：玻璃是什么？下面给出三种不同的定义来说明怎样描述玻璃的状态： 玻璃是一种没有经过结晶的熔体固化得到的无机材料 玻璃是一种具有高粘度的过冷液体 玻璃是介于晶体和液体的中间物质。它由类似晶体的网络结构彼此随机（不规则）相连得到的。 最早的关于玻璃结构的想法是基于过冷液体这一概念。把熔融的玻璃看成是一种氧化物与另外一种氧化物的混合溶液，或者是看成不同成分彼此之间互溶的的共溶体。熔融的液相没有晶化便形成了室温下的刚性体。 2. 网络理论（学说） 最近几年，Zachariasen最先提出的玻璃的原子结构理论已被广泛接受。它的随机（不规则）网络理论（学说）假设每一个结构单元共同形成了不规则的网络形式。我们对于玻璃的结构及性状的理解是基于氧化物玻璃的结构描述及少数早期研究玻璃的研究者所解释的玻璃形成条件。Tammann开始系统研究玻璃态现象时表明冷却速度对理解玻璃状态至关重要。玻璃是刚性体而不是液体。1926年，Goldschmidt在现代晶体化学中提出他的这一想法。 玻璃可能与相同成分的晶体具有类似的短程有序结构，但是玻璃的典型特性是具有长程无序结构。熔融物质冷却过程中能够不结晶就固化的能力可以用多面体的几何理论来解释，尤其是阴离子和阳离子的尺度比例。因此，Goldschmidt将晶体化学的概念引入到玻璃工艺中。玻璃结构的发展最重要的一步就是1932年Zachariasen提出的玻璃态氧化硅的原子结构图形，在不同结构的氧化硅晶体或硅酸盐晶体中硅原子周围都是被四个氧原子以同样的方式包围着。玻璃与晶体唯一不同的地方是没有排列周期。连续，随机和三维结构具有和二氧化硅晶体相同的近程有序性，只是不具备相同的长程有序性。 玻璃态的二氧化硅中引入了碱金属之后，由于降低了由各个四面体共享的桥氧数，使结构变得松散。这一特性可以说明为什么碱金属硅酸盐玻璃比纯二氧化硅玻璃的粘度低。玻璃中的网络形成元素的氧化物及网络改性元素的氧化物的分类非常简单、有用。随后又引入了中间物质。Zachariasen的玻璃形成理论几乎是广泛接受的。Warren和他的同事利用X射线技术研究了玻璃的原子结构，其结果与 Zachariasen的原子结构图形一致。X射线技术的应用对于提出玻璃结构的概念有着重大贡献。 网络形成元素是那些具有与氧结合能在340到500KJ/mol的元素。而网络改性元素，如Mg，Ca，Li，K，Na，Cd及Cs与O之间的离子键键能则为40到250kJ/mol。他们的扩散速率很高，尤其是+1价的金属阳离子。他们破坏了Si-O-Si网络的连续性降低了玻璃熔体在各不同温度下的粘度。+2价金属阳离子在两个氧原子之间类似于一个桥。他们同样破坏了网络结构，但是活动性差，没有+1价金属阳离子对熔体的流动性影响大。 玻璃与晶体最主要的区别就是四面体之间的连接方式。晶体在三维空间中其结构连续不断地重复，而二氧化硅玻璃中，四面体之间是随机相连的而不是有规律的重复。在这种网络结构中，SiO2四面体单元被称为玻璃形成体。这种玻璃形成体决定了网络的整体结构。市售的钠硅酸盐玻璃及钠钙硅酸盐玻璃还含有其他添加到氧化硅玻璃中的元素。这些元素被称为网络调整体，因为这些元素打开了网络而且引入了更多的氧，使得结构中氧原子的数量比完全是桥氧的结构中氧原子数量大的多。这会产生很多的非桥氧，这些非桥氧只与一个Si原子相连因此破坏了网络结构。 第13单元 玻璃形成 通过考虑碱金属的分布，Diezel将碱金属硅酸盐玻璃的结构概念给出一个新的观点。它（碱金属硅酸盐玻璃的结构）可以描述成是一种随机、连续的三维网状结构。并且对桥氧离子和非桥氧离子进行了区分。硅石中碱金属氧化物的添加导致了Si-O-Si链的断裂。碱金属离子位于断裂的桥氧离子附近，周围还包围着一定数量的桥氧离子。这样使得或多或少的非桥氧离子可以在桥氧离子中随机分布。 钠的氧化物和钙的氧化物以离子的形式进入到网状结构的空隙中。从根本上讲，这种玻璃在本质上属于离子性的而这种离子性的本质使得它在高温条件下具有导电性。然而，在室温条件下，玻璃中的离子被牢牢束缚的，因此其表现为绝缘体。随着热能的增加束缚离子的化学键断裂的数量也相应增加。因此，玻璃没有固定的熔点，而是表现为一个软化的温度范围。 图3.1为玻璃物质的形成图，体积-温度变化曲线很好的解释了材料的液态、晶态和玻璃态三者之间的关系。沿着ab线逐渐的冷却，物质的体积不断减小。在冷却速度足够缓慢的条件下在液态中将会产生晶核，在温度Tf处将会发生结晶同时伴随着物质体积沿bc线迅速减小。进一步冷却，结晶态的物质的体积将沿着cd线收缩。如果冷却速率足够快，在Tf处将不会发生结晶，过冷液体的体积将沿着be线减小。在Tg这一特定温度处，过冷液体的体积-温度曲线的方向发生突然改变，随后几乎与晶体的收缩曲线几乎平行。拐点处的温度Tg被称为转变点或玻璃转变温度。只有玻璃物质在Tg温度以下才能称其为玻璃。物质在Tg和Tf温度之间是过冷液体。在Tg温度点物质的年度非常高，大约在10的12次方Pa·S。如果玻璃的温度长期固定在温度T处，其体积将慢慢的减小直到到达虚线点处。在这个过程中玻璃达到更稳定的状态，这一过程就是大家熟知的玻璃的稳定化过程。在玻璃转变温度附近，玻璃的其他性能也随着时间的变化而变化。在一定温度范围内玻璃的性能决定于玻璃冷却速率，尤其是在Tg温度点附近的温度范围内的冷却速率。同样Tg的精确值也取决于冷却速率，冷却速率越小，Tg值越低。 氧化铝不形成玻璃。1901年，当成功测出CaO-Al2O3相图后，在CaO与Al2O3按12：7左右比例混合时，Al2O3成分范围在38%~65%范围之间，液相温度降低到1400℃左右同时发现了玻璃相的形成。然而要想获得纯的钙-铝氧化物玻璃需要非常快的冷却速率，通过加入5%左右的SiO2可提高钙铝氧化物玻璃的稳定性。以钙铝氧化物为主药成分的玻璃具有很好的红外透射性能，因此在光学工业中具有很好的发展前景。 Na2O-CaO-SiO2三元系统在工业（技术）玻璃产品中非常重要。这种系统中玻璃的主要成分范围覆盖了从NC3S6到接近βCS的所有成分。Na2O-3CaO-6SiO2失透石在1045℃分解成钙硅石（CS）和液相。在1325℃时形成均匀的液相。大量工业（商业）玻璃中的主要结晶相成分就是失透石。 Thuringian（图林根州）玻璃由于具有非常好的可加工性（可操作性）而闻名。在德国图林根州的 沙子中含有一些长石，这些长石能够向玻璃种引入少量的氧化铝。Al2O3能够抑制玻璃的不透明倾向，同时提高玻璃的化学惰性。 以失透石为主要成分的钠钙硅氧化物玻璃的液相温度是1325℃，但是在低于这一温度的700℃其中有些O离子就可以移动。低于液相温度的1000℃碱金属离子就可以移动。这事碱金属或碱土金属似乎就不再保持着随机分布的状态了。 以下这些单独的氧化物就可以形成玻璃，包括：氧化硅、氧化锗、氧化硼、氧化磷、氧化砷。其中每种氧化物都可能与第二相氧化物或其他混合氧化物的一起溶化。然而，通常其他氧化物的添加量是有一定限度的。除了这五种玻璃形成氧化物以外，还有第二组氧化物，包括氧化钛、氧化硒、氧化钼、氧化钨、氧化铋、氧化铝、氧化钙、氧化钒，他们本身都不能形成玻璃，但只要和适量的另一种氧化物或混合氧化物一起溶化，就可以形成玻璃。为了与第一组玻璃形成氧化物区别，第二组氧化物被称为条件玻璃形成氧化物。另外还有被称为中间氧化物的第三组，包括：氧化锌、氧化铍、氧化铅、氧化锆和氧化锑。 第14单元 玻璃制造：工业玻璃溶化目前的趋势 1绪论（导言） 工业玻璃生产的目标就是以尽可能低的综合成本生产出符合质量要求的产品。自从西门子箱式炉的诞生随着工艺的不断发展进化这一目标已经可以实现。熔铸难容材料以及用石油或天然气代替发生炉煤气等这些技术创新促进了玻璃玻璃工艺的发展，而且这些技术创新的发展趋势是相同的。目前玻璃成本中包含保护环境的成本这一个新的问题，这使得未来玻璃制备工艺的发展具有不确定性，因为解决环境问题的最节约的办法具有不确定性。 尽管这些问题目前受到广泛关注，但是企业将会从技术进步和满足用户需求两方面入手不断发展。这篇短评首先介绍了产品和质量。随后的一章通过评论难容材料来介绍环境问题，接下来的一段介绍模具（成型）。 2新产品 新产品可能需要新的成分，同时可能需要新的或改进的融化方法。下面的三个例子就是涉及到得一些问题。 热反射玻璃 目前生产新型有色的汽车及建筑玻璃难度并不大。然而，当生产出来的玻璃要求对近红外辐射不透明时，由于熔融玻璃过程中的辐射热传导作用减小，玻璃的溶化和加工过程就会受到影响。 另外一个难点是为了达到足够的含铁量，必须使用还原剂并且限制通常使用的硫酸盐添加剂的用量。这将导致不充足的硅石消耗（分解）的风险。另外，高的铁含量可能伴随着硫化物的形成而且可能产生不想要的琥珀色。在普通的窑炉中难以获得要求的特性激发了创造一种全新的玻璃融化工艺的灵感：降压澄清，如此还可以去除熔融玻璃种微量的硫化物。玻璃制造方法的进步通常是进化而不是革命，然而这项技术却是个例外。 零（不）膨胀透明微晶玻璃 为了提高热震性能而设计的微晶玻璃属于锂铝硅氧化物系统，经过微晶（陶瓷）化后它几乎不发生热膨胀。制备这种原玻璃（基础玻璃）最基本的问题就是形核剂的消耗和高的粘度，1600℃时粘度接近400泊。然而过去40年里熔融这种玻璃的技术已经发展成熟。四种产品已经连续的实现商品化：不透明餐具，不透明锅（炊具）盖，透明餐具以及最新产品透明锅盖。透明锅盖的产生表明，玻璃中不仅没有宏观缺陷，就算是小的夹杂物也不存在，因为小的夹杂物存在可能会降低抗振性而无法满足较高的要求。 有源矩阵液晶显示板玻璃 液晶面板玻璃是非常薄的玻璃片，要求其中不含大于几百微米的气泡，并且要求成型后的表面非