课题：专题3从矿物质到基础材料
第三单元 含硅矿物和信息材料
常熟市中学 张玉荣
上课阅读材料：
陶瓷、玻璃应用新天地
1．我们知道北京时间2005年10月12日9时整，万众瞩目的中国第二艘载人飞船神舟六号搭乘两名航天员在酒泉卫星发射中心中国载人航天发射场由神箭—长征二号F运载火箭发射升空。17日凌晨4时33分，“神舟六号”载人飞船圆满完成了飞行任务顺利返回，为中国航天事业续写了新的辉煌。
当返回舱在距离地面80公里-－40公里的高度以数千米每秒的速度穿越稠密大气层时， 返回舱表面温度会达到摄氏1000-2000摄氏度，如果不采取有效的防热降温措施，整个返回舱将会像陨石一样被烧为灰烬。高速带来了高温，这似乎是一道不可逾越的障碍，人们把这种障碍称为“热障”。怎样使宇宙飞行器克服“热障”？科学家在分析了“宇宙不速之客”陨石后发现，陨石表面虽熔化，但里面的化学成分没有变化。这说明陨石在下落过程中，尽管表面因摩擦生热产生几千度而熔化，但由于穿过大气层的时间很短，热量还来不及传到内部，这给科学家以启发：让宇宙飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料做成的“头盔”，把重返大气层时摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔融、气化等一系列物理和化学变化中，到达保护宇宙飞行器的目的。
表面的这种烧蚀材料主要是近年来科学家研制成功的纤维增强陶瓷复合材料――碳纤维－石英复合材料。
目前我国还研制成功了高温结构陶瓷、纳米陶瓷等高科技的一些陶瓷结构材料。
2．玻璃微珠的应用：在夜里如果乘车奔驰在高速公路上，你可以看到有一种现象：道路两侧又橙红色的指示灯不断闪亮，引导车辆前进，还有前方有一块块高架于道路上空的交通标志牌，醒目地显示出前方即将到达地地点及所剩里程。这些是不是有不息的指示灯呢？不是。其实这些指示灯和标志牌没有装灯泡，它们是一种定向反光膜。这定向反光膜的材料就是――玻璃微珠。
光导纤维
1．简介：
光导纤维又称导光纤维﹑光学纤维，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光作用的玻璃细丝纤维。它能将光的明暗﹑光点的明灭变化等信号从一端传送到另一端。光导纤维是由两种或两种以上折射率不同的透明材料通过特殊复合技术制成的复合纤维。为了防止光线在传导过程中的“泄漏”，必须给玻璃细丝穿上“外套”。所以它的基本类型是由实际起着导光作用的芯材和能将光能闭合于芯材之中的皮层构成。外包层的折射率通常比芯线折射率小。这样光线进入芯线在芯线和外包皮层的界面上作多次全反射而曲折前进，不会透过界面。为了减少光在长距离传导中的损耗，要采用超纯石英玻璃来制造光导纤维；同时尽量改善玻璃内部结构上的均匀性；还有采用波长较长的激光速进行传导以提高光导纤维的传导效果。光导纤维有各种分类方法：按材料组成万分可分为玻璃﹑石英和塑料光导纤维；按形状和柔性分为可挠性和不可挠性光导纤维；按纤维结构分为皮芯型和自聚集型（又称梯度型）；按传递性分为传光和传象光导纤维；按传递光的波长分为可见光﹑红外线﹑紫外线﹑激光等光导纤维。
2．制造：
制造光导纤维的方法有多种，常见的是管棒法。即将折射率较大的玻璃棒插入折射率较小的玻璃管中，一起放入电炉加热，在高温熔融状态下拉成内外两层的玻璃纤维长丝。为了保证光导纤维的内外两层玻璃间有良好的接触，玻璃管和棒料必须经过严格的质量检验，棒料外表面要进行研磨抛光。
目前生产的光导纤维有单模和多模两种。所谓“模”就是指传导光线的路径。单模光纤十分细，芯经在10um以下，外经为125um，只能有一速光线沿芯线的中心传播。多模光纤较粗，芯经为50um，外经125um，光线在光纤中沿着多条路径行进。
3．应用：
（1）光纤通信（光缆）：是利用激光作载波由光导纤维传送信息的有线通信方式。通讯形式是：声音和图像――电信号――光信号――传到接收端――电信号――声音和图像。
光纤有许多优点：
光纤光缆
普通电缆
信息量大，每根光纤理论上可同时通过100亿路电话。
8管同轴电缆每条通话1800路
原材料来源广（石英玻璃），节约金属。
资源少
质量小，每公里27g，不怕腐蚀，铺设方便。
每公里1.6t
成本低，。每公里1万元左右。
每公里20万元
性能好，抗电磁干扰，保密性强，能防盗窃，不发生电辐射。
易腐蚀，抗干扰能力差。
（2）医生的好助手：光导纤维可以用于食道﹑直肠﹑膀胱﹑子宫﹑胃等深部探查内窥镜（胃镜﹑血管镜等）的光学元件和不必切开皮肉直接插入身体内部，切除癌瘤组织的外科手术激光刀，即由光导纤维将激光传递至手术部位。
（3）在国防军事上，光导纤维也有广泛的应用，可以用光导纤维来制成纤维光学潜望镜，装备在潜艇﹑坦克和飞机上， 用于侦察复杂地形或深层屏蔽的敌情。
（4）摄像系统：
（5）在工业方面，可传输激光进行机械加工；制成各种传感器用于测量压力﹑温度﹑流量﹑位移﹑光泽﹑颜色﹑产品缺陷等；也可用于工厂自动化﹑办公自动化﹑机器内及机器间的信号传送﹑光电开关﹑光敏元件等。
此外，还可用于火车站﹑机场﹑广场﹑证券交易场所等大型显示屏幕；短距离通讯和数据传输；将光电池纤维布与光导纤维布巧妙地结合在一起制成夜间放光的夜行衣，不仅为夜行人起照明作用，还可提高司机的观察视距，能够有效地减少交通事故的发生。
分子筛的简介
许多硅酸盐具有多孔的结构,孔的大小与一般分子的大小相当,而且组成不同的硅酸盐的孔径不同.因此这些硅酸盐具有筛分分子的作用,人们把它们称为分子筛(molecular sieve).
如组成为Na2O·Al2O3·2SiO2·nH2O的铝硅酸盐,其中有许多笼状空穴和通道.这种结构使它很容易可逆地吸收或失去水及其他小分子,如二氧化碳、氨、甲醇、乙醇等，但它不能吸收那些大得不能进入空穴地分子。因此它可用于吸水、分离气体、吸附有毒气体等作用。
分子筛常用于分离、提纯气体或液体混合物。作干燥剂、离子交换剂、催化剂、催化剂载体、净化水、净化空气、防毒器械、食品保鲜、电子产品处理、石油化工等方面。
如:氮碳分子筛作为一种新型吸附剂产品，其主要作用是分离空气富集氮气；能广泛应用于食品、水果、粮食、茶叶、中药材的保鲜和贮存，金属热处理的氮基处理、电子产品处理、煤矿灭火、石油化工等方面。
如：3A型分子筛，是指A型晶体结构的钾型，能吸附临界直径不大于3A的分子，典型化学组成2/3K2O·1/3Na2O·Al2O3·2SiO2·4.5H2O 。该产品主要用途为化工、石油、医药、中空玻璃等工业用干燥剂，用于不饱和烃物料，如裂解气、丁二烯、丙烯、乙炔等工业脱水，也可用于气体，极性液体和天然气的干燥。由于3A型的孔径较小，在吸附过程中能有效控制其他分子的共吸附。
又如5A分子筛 5A分子筛的孔径为5A，能吸附小于该孔径的任何分子，主要应用于正异构烃分离、变压吸附分离及水和二氧化碳的共吸附，基于5A分子筛的工业应用特点，我们生产的5A分子筛选择吸附性高、吸附速度快、特别适用于变压吸附，可适应各种大小的制氧、制氢、制二氧化碳等气体变压吸附装置，是变压吸附行业中的精品。 分子式：0.70CaO·0.30Na2O·Al2O3·2.0SiO2·4.5H2O
集成电路
集成电路又称为IC，是在硅板上集合多种电子元器件实现某种特定功能的电路模块。它是电子设备中最重要的部分，承担着运算和存储的功能。集成电路的应用范围覆盖了军工、民用的几乎所有的电子设备。可以说集成电路是计算机业、数字家电业、通信等行业的绝对“心脏”。
??? 在国防方面，无论是巡航导弹、相控阵雷达，还是飞机、舰艇，都严重依赖计算机控制，而决定计算机性能的主要是集成电路。现代战争已经发展到信息化战争阶段，以集成电路为基础的电子战和信息战对战争的进程起着决定性作用。
??? 美国军方早在1987年就开始耗巨资研制带有病毒的集成电路。在和平时期，美国将含有病毒的集成电路作为普通通用商品售往他国要害部门，一旦战时需要，可以随时远程激活病毒，使敌方的指挥系统和武器系统失灵或者瘫痪。
??? 在海湾战争中，美军在空袭巴格达之前，将伊拉克打印机（战前供应中东地区）集成电路上隐蔽的病毒遥控激活，使之侵入伊拉克军事指挥中心的主计算机系统，导致伊军指挥系统失灵，整个防空系统随即瘫痪。因此谁拥有了先进的集成电路，从某种程度说谁就能掌握战场的主动权。
??? 日本半导体技术发达，特别是集成电路的研发处于世界领先地位，控制着包括西方军事航空业著名的火控系统在内的大部分的军工微型集成电路核心技术，美国洲际导弹等武器的计算机控制系统大多采用日本生产的新一代半导体集成电路。据说，在1991年的海湾战争中，美军巡航导弹的核心部件—微电子硅片80%是由日本军工企业生产的。美国的报纸曾就此报道说，如果没有日本的电子产品，美国的精确制导武器就无法实施精确打击。
??? 在国民经济方面，“科技是第一生产力”是众所周知的事实，但另一个事实也许并不为所有人知道：在我国国民经济发展的发展中，电子信息产业是龙头，而集成电路产业则是整个电子信息产业的核心和基础。
中国工程院院士许居衍这样概括集成电路产业的地位：在电子信息产业生态链中，处在高端的集成电路关联度最大，在一定程度上起到了一荣俱荣、一枯皆枯的作用。“不努力发展半导体制造业，逐渐形成电子信息业生态环境，我们不仅会失去当前这轮经济增长的机遇；我们或许还会像历史上错过工业化、信息化那样，再一次失去新经济的发展机遇。”
集成电路首先诞生于美国。其后的四十多年中，除了80年代后半期日本曾一度超过美国之外，美国一直在世界上占绝对优势。今天，就整个集成电路产业而言，日本总体实力仍排名第二。
集成电路对设备生产、原材料以及生产环境的要求十分苛刻。制造的工序有800多道，耗时20天以上，只要一道工序出现问题或者一粒尘埃落在产品上，都会导致产品报废，造成巨大的经济损失。这也直接导致集成电路产业几乎成为全世界上最昂贵的产业。一般来说，投资一条8英寸的集成电路生产线需要10亿美元，而建设一条12英寸的集成电路生产线所需的资金更是高达15亿―20亿美元，因此集成电路的生产实际上也是对一个国家整体工业水平和经济实力的考验。在中国，每1元人民币的集成电路产值可以带动10元电子产品产值，并创造100元国内生产总值，因此集成电路产业的振兴对一个国家的经济发展有着重要战略意义。
