高结晶度透明微晶玻璃的制备技术研究

论文摘要

传统透明微晶玻璃的晶相含量在3%-70%之间,晶粒大小为几十个纳米级,析出晶相的化学组成与基础玻璃差异较大。由于微晶玻璃中含有较多的玻璃相,微晶玻璃的结构和理化性能与透明晶体及透明陶瓷都存在较大的差异。本论文研究稀土离子掺杂的高结晶度、高透过率微晶玻璃的制备方法,探索微晶体类型、微晶体含量、晶粒大小和玻璃相含量与发光特性之间的关系,评估其替代透明晶体和透明陶瓷的可能性,有重要的研究价值和实际意义。采用传统熔体冷却技术及晶化热处理工艺制备了Nd2O3掺杂的Na2O-CaO-SiO2（NCS）系高结晶度透明微晶玻璃。通过差热分析（DSC）测定,确定了基础玻璃的核化与晶化制度。采用X射线衍射（XRD）分析、红外（IR）光谱分析、扫描电子显微镜（SEM）等方法研究了NCS系微晶玻璃的结晶性能、组织结构和透明性能。结果表明,NCS系玻璃热处理后析出成分接近于Na6Ca3Si6O18的微晶体。当玻璃在630℃/10h+800℃/1h条件下处理时,结晶度达79.86%,晶粒为球形,尺寸约为1～2μm,3mm厚试样在710nm波长下的透光率为68.8%。继续延长热处理时间,晶相和玻璃相的化学组成连续变化,玻璃几乎完全析晶,晶粒尺寸达250μm,3mm厚试样在710nm波长下的透光率达65.5%。利用Judd-Ofelt理论分析了Nd3+掺杂NCS体统微晶玻璃的光谱性能和光谱参数。结果表明：微晶玻璃含纳米晶时其强度参数Ω2达最大值,随着微晶体的长大,Ω2逐渐减小,这与4F3/2→4I11/2跃迁的发射截面的变化趋势一致；试样的光谱质量因子随热处理的完成持续降低,而对于4F3/2→4I11/2跃迁的荧光分支比则持续增大。研究表明,高结晶度透明微晶玻璃有代替晶体作为激光基质的潜力。成功制备了无色透明的Gd2SiO5（GSO）体系基础玻璃,主要组成为Gd2O3-SiO2-B2O3,其中Gd2O3的重量百分比可高达75.88%。在基础玻璃中成功添加了Ce3+离子,随着Ce3+离子含量的增加,玻璃着色现象加重,由淡黄色→柠檬黄→琥珀色变化,提高Sb2O3含量可减轻基础玻璃的着色。本文对热处理工艺进行初步的探索,研究发现：试样在800℃核化10h升温到950℃时开始乳浊,透明性变差,但并没晶体析出,975℃时已成乳白色陶瓷,析出的晶体接近于六方晶系Gd4.67（SiO4）3O,Rietveld精细化分析XRD结果后得到的晶胞参数分别为a=b=0.927nm, c=0.685,显示晶粒出现细化。符合析出微晶体与Gd2SiO5晶体化学组成相近或相同的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 透明微晶玻璃概述
• 1.2.1 透明微晶玻璃的概念及分类
• 1.2.2 透明微晶玻璃的光学原理
• 1.2.3 透明微晶玻璃的制备工艺
• 1.2.4 透明微晶玻璃的应用
• 1.3 闪烁玻璃概述
• 1.3.1 闪烁玻璃的概念及分类
• 1.3.2 掺杂稀土离子闪烁玻璃的研究进展
• 1.3.3 透明闪烁微晶玻璃的应用进展
• 1.4 本工作的研究目标和内容
• 第二章 实验过程
• 2.1 玻璃及微晶玻璃的制备
• 2.1.1 基础玻璃的组成设计
• 2.1.2 基础玻璃的制备过程
• 2.1.3 微晶玻璃的制备
• 2.2 微晶玻璃的结构与性能测试
• 2.2.1 密度测试
• 2.2.2 红外光谱（IR）分析
• 2.2.3 X射线衍射（XRD）分析
• 2.2.4 显微结构分析
• 2.2.5 光谱测量
• 2.2.6 折射率测试
• 第三章 NCS体系微晶玻璃的制备和光谱性能研究
• 3.1 NCS体系微晶玻璃的制备
• 3.1.1 NCS体系玻璃的制备
• 3.1.2 DSC和热膨胀收缩曲线的分析
• 3.1.3 NCS体系微晶玻璃的制备
• 3.2 热处理工艺的研究及结构的相应变化
• 3.2.1 热处理对NCS玻璃析晶行为的影响
• 3.2.2 热处理对红外光谱的影响
• 3.2.3 热处理制度对显微形貌的影响
• 3.2.4 制备高结晶度微晶玻璃的热处理工艺确定
• 3.3 高结晶度微晶玻璃光谱性能的研究
• 3.3.1 光谱性能的理论基础
• 3.3.2 样品的制备和物理性能的变化
• 3.3.3 微晶玻璃保持透明性能的研究
• 3.3.4 析晶度对微晶玻璃光谱性能的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 GSO体系微晶玻璃的制备
• 4.1 基础玻璃形成能力
• 2O₃-SiO₂-GeO₂（GSG）基础玻璃的形成能力'>4.1.1 Gd₂O₃-SiO₂-GeO₂（GSG）基础玻璃的形成能力
• 2O₃-SiO₂-GeO₂基础玻璃析晶行为的研究'>4.1.2 Gd₂O₃-SiO₂-GeO₂基础玻璃析晶行为的研究
• 2O₃-SiO₂-B₂O₃（GSB）基础玻璃的形成能力'>4.1.3 Gd₂O₃-SiO₂-B₂O₃（GSB）基础玻璃的形成能力
• 4.2 形核剂的研究
• 3+离子的引入量'>4.3 Ce³⁺离子的引入量
• 4.4 初步热处理制度的探索
• 4.5 下一步的研究方向
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果