 |
Керамика. Композиты
|
|
|
|
Керамика
Оксид алюминия, цирконий и пиролитический углерод - это некоторые из керамических материалов, используемых в качестве биоматериалов в таких областях применения, как ортопедические и зубные имплантаты. Главное преимущество заключается в том, что они прочные и химически инертные. Они обладают высокой прочностью на сжатие, которая необходима для костных имплантатов. Некоторые керамические материалы также поддаются биологическому разложению. Сложность производства является основным недостатком. Они также могут минимизировать врастание кости. Иногда имплантаты со временем могут ослабевать и смещаться.
Композиты
Композиты включают биоглассовую керамику, аллотрансплантат и ксенотрансплантат. Они используются в тканевой инженерии и замене суставов. Поскольку композиты изготавливаются из двух или более материалов, конечный продукт сочетает в себе свойства всех используемых материалов. Основное преимущество композитов заключается в том, что они прочны и при этом легки. Они имеют низкую плотность, а также устойчивы к коррозии. Высокая стоимость, связанная с производством композитов, является недостатком. Кроме того, их форма не может быть легко изменена.
19. Оптические материалы: виды, области применения, достоинства, недостатки
Оптические материалы (например, стекло) — технические природные и синтетические материалы, прозрачные в том или ином диапазоне электромагнитных волн. Оптические материалы применяют для изготовления элементов оптических систем, работающих в разных областях спектра электромагнитных волн.
В качестве оптических материалов используют неорганические, органические вещества. Роль оптических материалов могут выполнять такие оптические среды, как полимеры, оптические плёнки, воздух или другие газы (например, СО2 в газовых лазерах), жидкости.
|
|
|
Виды оптических материалов:
· Неорганические оптические материалы;
· Силикатные стекломатериалы;
· Оптическая керамика;
· Органические оптические материалы;
· Минералоорганические оптические материалы.
Неорганические оптические материалы Стекло Основная статья: Стекло Стекло — твёрдое аморфное состояние вещества. Характерные для стекла свойства — высокое светопропускание (прозрачность), светопреломление, изотропность (реже, у спецстёкол — анизотропность) и др. Классификация стёкол по химическому составу Основная статья: Стекло При изготовлении оптических систем применяются материалы, которые можно классифицировать по составу: Оксидные стекла Силикатные стекла Боратные стекла Кварцевое стекло Стекло растворимое Свинцовое стекло Стекловолокно Фотоситаллы Оптическое стекло Основная статья: Оптическое стекло Опти́ ческое стекло́ — прозрачное стекло специального состава, используемое для изготовления различных оптических приборов. В силу исключительно высоких требований, предъявляемых к качеству изображения оптических систем, естественно возникла необходимость в изготовлении широкого ассортимента специальных сортов стёкол, различных по своим свойствам. Помимо оптических стёкол для производства линз и призм, к специальным стёклам можно отнести цветные стёкла, стёкла с необходимым коэффициентом преломления, фотохромные стёкла, стёкла для защиты от рентгеновского излучения, и др. Кварц SiO2 Кремний (Si) Кремниевые и кварцевые оптические стекла Основная статья: Линзы из кварца Основная статья: Линза из кремния Кремниевые и Кварцевые (на основе диоксида кремния SiO2) материалы отличаются различным диапазоном оптических характеристик, необходимых для оптических элементов приборов. Эти природные материалы составлют основное сырьё для производства современных оптических систем и элементов. Например, только Кремниевые элементы способны пропускать ИК — лучи, Кварцевые элементы пропускают ультрафиолетовые лучи + лучи видимого спектра в широком диапазоне. Кроме того они отличаются неизменностью фронта световой волны, распространяющейся в оптическом материале, которое в свою очередь связано с высокой химической и физической однородностью материала, обеспеченной технологией изготовления.
|
|
|
Области применения: Пропускание обычных кроновых стекол простирается в коротковолновую область спектра не далее 0, 33 мкм. Еще менее прозрачны в этой области флинтовые стекла. Стекла, прозрачные до длины волны 0, 29 мкм, изготавливаются из особо чистых материалов в платиновых ванных печах. Такие стекла называют увиолевыми. Плавленый кварц используют в более коротковолновой области спектра (до 0, 185 мкм). Кроме кварца, к использованию в ультрафиолетовой области спектра, пригодны фтористый литий, фтористый кальций и фтористый магний. В инфракрасной области спектра прозрачность кроновых и флинтовых стекол нс простирается далее длин воли 3-5 мкм. До 3 мкм используется стекло и кварц. В области 3-6 мкм используют различные кристаллы, в основном выращенные искусственно (сапфир, германий, кремний, селен и др. ). В области длин волн 8-13 мкм применяют кристаллы галогенов (лучшим из них является бромид-йодид таллия), а также сернисто-мышьяковые стекла /3 с. 56-57/. Оптическое кварцевое стекло в настоящее время изготовляют блоками диаметром не более 1 м. Остальные материалы для инфракрасной области спектра изготовляют блоками значительно меньших размеров. Для изготовления астрономических зеркал, в зависимости от диаметра зеркала используют обычное стекло, нирекс (специальное стекло с уменьшенным значением коэффициента линейного расширения), плавленый кварц, ситалл или легированный кварц. К астрономическому зеркалу предъявляют " жёсткие" требования: рабочая поверхность зеркала должна сохранять свою форму при больших перепадах температур и различной ориентации зеркала в пространстве, механические свойства материала должны быть стабильны во времени, материал должен легко поддаваться шлифованию и полированию. Этим требованиям в большей или меньшей степени удовлетворяет стеклокерамический материал, появившийся в 1950-х гг. В разных странах этот материал получил разные фирменные названия, ситалл - в СССР, пирокерамит и ссрвит в США, цсродур - в ФРГ. Он состоит из кристаллов, размеры которых меньше длины волны света, поэтому очень мало рассеивает свет. Еще в 1958 г. Н. Н. Михельсон /6/ обратил внимание на возможность применения бериллия в качестве материала для астрономических зеркал. Благодаря малой плотности (1, 85 г/см3) и большому модулю Юнга бериллий имеет явные преимущества перед многими другими материалами и весьма перспективен для применения в космических телескопах. К настоящему времени уже накоплен положительный опыт практического применения бериллия в космических телескопах, поэтому бериллию уделяется большое внимание конструкторами телескопов.
|
|
|
Достоинства: Помехозащищенность. Никакие виды электромагнитных помех не влияют на качество передачи информации в оптическом волокне. Благодаря этому, оптическое волокно может располагаться вблизи таких мощных источников электромагнитных помех как: радиоантенны, неоновая реклама, оборудование АТС (особенно декадно шаговых), станки на заводах и др. Кроме того, многие ЛЭП уже имеют в своем составе ВОЛС, вмонтированную в грозо трос. Вследствие того, что оптическое волокно не проводит электрический сигнал, то обеспечивается полная гальваническая развязка между передатчиком и приемником. Это облегчает схема технику канало образующего оборудования. Электро магнитная совместимость и информационная безопасность Оптическое волокно не только не чувствительно к внешним электро магнитным воздействиям, но и само не излучает никаких сигналов в окружающую среду. Последнее существенно усложняет перехват информации, которая передается по оптическому волокну. Для того, чтобы перехватить информацию, необходимо удалить слой за слоем оболочку оптического кабеля до самого оптического волокна. (см рисунок 1). Далее необходимо изогнуть оптическое волокно, после чего часть сигнала будет выходить за пределы волокна. Эта часть излучения и может быть перехвачена. Вместе с тем, этот изгиб (макро изгиб) оптического волокна легко зафиксировать при помощи оптического рефлектометра. В отличии от этого, подняв в неподходящий момент трубку домашнего аналогового (если у кого-то остался) телефона можно случайно «подслушать» соседа, или послушать радио. Такой способ «врезки» в оптическое волокно активно используется связистами для организации служебного канала связи. В качестве устройства для ответвления трафика в этом случае используются ответвители-прищепки.
|
|
|
4. Оптическое волокно имеет малое погонное затухание. Уровень затухания сигнала зависит от рабочей длины волны, но он имеет намного меньшие значения чем медный кабель. Вследствие этого, возможна организация протяженных высокоскоростных систем передачи. (Например, применение одного оптического усилителя позволяет передавать цифровую информацию со скоростью до 10 Гбит/с на расстояние до 250 км. )
5. Оптические волокна имеют большую широкополосность и пропускную способность. Благодаря улучшенной очистке оптического волокна, удалось расширить количество окон прозрачности, что привело к появлению систем волнового уплотнения WDM (СWDM, DWDM. DWDM мультиплексирование позволяет по одному оптическому волокну организовать до 160 независимых каналов передачи, в каждом из которого передавать информацию со скоростью до 40 а то и больше Гбит/с.
6. Оптические кабели имеют меньшие габариты и вес, а зачастую и стоимость.
Недостатки: Основным недостатком оптических волокон являются повышенные требования к обслуживающему персоналу как на этапе монтажа оптического кабеля, так и в ходе обслуживания. Львиная доля повреждений в ВОЛС как раз и связана с недостатком знаний и навыков по работе с активными и пассивными компонентами ВОЛС. Среди основных проблем, которые допускаются по незнанию или халатности можно выделить грязные коннекторы и макро изгибы. Еще одним недостатком является появление микротрещин и повышение затухания оптического волокна за счет водородной коррозии. Распространенным заблуждением является утверждение, что оптическое волокно не боится попадания воды в оптическую муфту. Если теперь обратить внимание на формулу воды Н2О, то видим, что в ней присутствует и кислород и водород. Конечно, сигнал передается только в сердцевине оптического волокна, поэтому требуется время чтобы под воздействием внешних факторов из воды и кремния получится SiOH, а после произошла диффузия этой примеси в сердцевину оптического волокна через его оболочку и буферный слой. В результате – вода негативно влияет на характеристики оптического волокна, однако, в отличие от медного кабеля, такое воздействие имеет отсрочку во времени и необратимо.
|
|
|
