锂铝硅系透明微晶玻璃的制备及其光学性能研究

论文摘要

Li2O-Al2O3-SiO2（LAS）透明微晶玻璃具有低热膨胀系数、高可见光透过率以及较高强度等优异性能，广泛应用于电子封装、防火门窗、光学器件及雷达天线外罩等领域。本文利用熔融-晶化法制备LAS透明微晶玻璃，系统研究玻璃组分、成型工艺及热处理工艺对微晶玻璃结构和光学性能的影响规律，以及过渡金属离子和稀土离子掺杂LAS微晶玻璃的透光性和荧光特性。ANSYS有限元分析表明，玻璃在熔制过程中形成温度梯度场，坩埚壁附近的温度较高，中间温度较低，恒温阶段坩埚内出现有利于玻璃液均匀和澄清的传质对流；成型过程中，厚度大的玻璃表层温度较低，但内部温度大部分高于形核温度（>700℃），容易出现析晶。熔体冷却速率低的厚玻璃内部有初始晶核析出，并在热处理阶段异常生长，导致玻璃内部失去透光性。热稳定性研究表明，β-石英固溶体LAS微晶玻璃在900℃以内能够长时间稳定存在，超过此温度开始转变成不透明的β-锂辉石固溶体。MgF2具有助熔和形核双重作用，在以ZrO2/TiO2作为晶核剂的LAS玻璃中添加一定量的MgF2，随其含量增大，晶化温度明显降低，晶粒尺寸先减小后增大；玻璃析晶活化能呈增大趋势，晶化指数先增大后减小。MgF2含量低于0.5wt%时玻璃可以通过分相促进形核，起到细化晶粒作用；含量较高时，微晶玻璃的热稳定性降低，容易导致晶粒异常长大而失透。稀土和过渡金属离子掺杂的LAS微晶玻璃结构分析表明，Ce4+、Nd3+离子的钉扎作用有助于增强微晶玻璃的结构稳定性，抑制β-石英固溶体向β-锂辉石固溶体的转变，且都有细化晶粒效果，但降低了原始玻璃和微晶玻璃的可见光透过率。热处理前后离子价态的变化以及离子共掺杂的二次显色和补色效应使得LAS微晶玻璃颜色呈现出多样化，这为微晶玻璃的可控着色提供了可能。稀土离子掺杂的LAS微晶玻璃荧光光谱分析表明，Sm3+和Ce4+共掺杂时Ce3+离子可以有效地将激发能量传递给Sm3+离子，从而提高Sm3+离子的发光效率。随着Ce3+离子浓度增加，Ce3+与Sm3+离子相互作用减弱，对Sm3+的能量传递效率降低，导致LAS微晶玻璃发光强度降低。上述研究成果对于制备高透明度LAS微晶玻璃、晶粒细化、微晶玻璃着色以及高发光效率的微晶玻璃具有一定的理论参考意义和应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 LAS微晶玻璃简介
• 1.2.1 LAS微晶玻璃的结构
• 1.2.2 LAS透明微晶玻璃的光学性能
• 1.2.3 LAS微晶玻璃的应用
• 1.3 LAS透明微晶玻璃国内外研究现状
• 1.3.1 制备方法
• 1.3.2 结构和透明度的影响因素
• 1.3.3 离子掺杂对光学性能的影响
• 1.4 论文研究目的及意义
• 1.5 研究内容及技术路线
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 技术路线
• 第2章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验原料与微晶玻璃组分
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 微晶玻璃的化学组分
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 玻璃热处理制度的确定
• 2.2.2 玻璃析晶动力学分析
• 2.2.3 微晶玻璃的晶相分析
• 2.2.4 微晶玻璃的微观形貌观测
• 2.2.5 微晶玻璃的透明度测试
• 2.2.6 玻璃成型过程中的析晶分析
• 2.2.7 稀土掺杂微晶玻璃的荧光特性
• 2.2.8 玻 璃熔制及成型过程的数值模拟
• 2.3 实验仪器和设备
• 第3章 LAS透明微晶玻璃的制备、结构及其性能
• 3.1 玻璃熔制与成型过程有限元分析
• 3.1.1 熔制过程有限元模拟
• 3.1.2 冷却过程有限元模拟
• 3.2 玻璃冷却速率对LAS微晶玻璃显微结构的影响
• 3.2.1 玻璃试样分析
• 3.2.2 LAS微晶玻璃的显微结构观察分析
• 3.3 LAS微晶玻璃热稳定性能研究
• 3.3.1 LAS玻璃相变研究
• 3.3.2 LAS玻璃结构稳定性研究
• 3.4 助剂对LAS玻璃熔制性能的影响
• 2/ZrO₂比例对LAS微晶玻璃性能的影响'>3.4.1 TiO₂/ZrO₂比例对LAS微晶玻璃性能的影响
• 3.4.2 不同助熔剂含量对熔制性能的影响
• 2对LAS微晶玻璃结构和性能的影响'>3.5 MgF₂对LAS微晶玻璃结构和性能的影响
• 3.5.1 LAS玻璃基本组分
• 3.5.2 LAS玻璃析晶动力学分析
• 2对LAS玻璃热处理温度的影响'>3.5.3 MgF₂对LAS玻璃热处理温度的影响
• 2对LAS微晶玻璃的结构与微观形貌'>3.5.4 MgF₂对LAS微晶玻璃的结构与微观形貌
• 2对LAS微晶玻璃的光学性能影响'>3.5.5 MgF₂对LAS微晶玻璃的光学性能影响
• 3.6 高分子网络凝胶法制备LAS微晶玻璃
• 3.6.1 LAS网络凝胶制备工艺条件
• 3.6.2 LAS微晶玻璃结构和性能研究
• 3.7 本章小结
• 第4章 掺杂对LAS微晶玻璃结构及透光性的影响
• 4.1 稀土氧化物掺杂对微晶玻璃结构及透光性能的影响
• 2O₃和CeO₂对LAS玻璃析晶动力学分析'>4.1.1 Nd₂O₃和CeO₂对LAS玻璃析晶动力学分析
• 2O₃和CeO₂对LAS微晶玻璃组织结构的影响'>4.1.2 Nd₂O₃和CeO₂对LAS微晶玻璃组织结构的影响
• 2O₃和CeO₂对LAS微晶玻璃的透过率的影响'>4.1.3 Nd₂O₃和CeO₂对LAS微晶玻璃的透过率的影响
• 4.2 过渡金属氧化物对LAS微晶玻璃析晶和透光性能的影响
• 2O掺杂LAS微晶玻璃的制备与晶相结构'>4.2.1 V2O5和Cu₂O掺杂LAS微晶玻璃的制备与晶相结构
• 2O掺杂LAS微晶玻璃的透光性能'>4.2.2 V2O5和Cu₂O掺杂LAS微晶玻璃的透光性能
• 2O和Nd₂O₃共掺杂对微晶玻璃光学性能的影响'>4.3 Cu₂O和Nd₂O₃共掺杂对微晶玻璃光学性能的影响
• 2O和Nd₂O₃微晶玻璃的制备'>4.3.1 掺杂Cu₂O和Nd₂O₃微晶玻璃的制备
• 2O和Nd₂O₃共掺杂LAS微晶玻璃的结构和光学性能'>4.3.2 Cu₂O和Nd₂O₃共掺杂LAS微晶玻璃的结构和光学性能
• 4.4 本章小结
• 第5章 共掺杂对LAS微晶玻璃发光性能的影响
• 5.1 共掺杂LAS微晶玻璃的制备
• 5.2 共掺杂LAS微晶玻璃的发光性能
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及专利
• 致谢
• 附录