CN101948246A - 一种高维尔德常数磁光玻璃及其制备方法 - Google Patents

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殷海荣
汪涛
董继先
胡宝云
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Abstract

本发明提供了一种高维尔德常数磁光玻璃及其制备方法，其原料组分以及摩尔百分比为：Tb2O3：15～40％；Dy2O3：0～25％；B2O3+SiO2：30～60％；Ga2O3：0～30％；ZnO：0～10％；ZrO：0～8％；CaF2：0～5％；P2O5：0～5％；TiO2：0～10％。制备方法：首先，将原料按照摩尔百分比称取并混合；接着，调节加热炉的温度为1250℃后，依次将原料放置于加热炉内的坩埚内，然后，升高温度至1350～1380℃，搅拌3～5小时，再接着，炉冷至1250℃后，将加热炉内的物料倒入模具内退火即可。本发明磁光玻璃的维尔德常数达-0.425min/Oe·cm(632.8nm)，远高于国际上通用的铽玻璃。

Description

一种高维尔德常数磁光玻璃及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种玻璃及其制备方法，涉及一种高维尔德常数磁光玻璃及其制备方法。
背景技术
自20世纪60年代以来，磁光玻璃由于其自身优良的磁光效应而一直是世界各国科学家研究的热点，被广泛用作磁光调制器、磁光传感器、磁光隔离器和磁光开关等，是一种不可替代的重要材料。
虽然晶体磁光材料具有很高的Verdet常数和很好的磁光性能，然其本身存在各种缺陷，例如，由于组成晶体的空间点阵具有不同的固定形状，宏观上呈现为晶体具有不同的独特几何形状，且不易改变，因此，晶体具有长程有序、各向异性、对称性、自限性、解理性等特点，故，其不宜制成大体积块材、不能形成复杂的形状以及由于晶体的各项异性而产生双折射等，使其应用范围受到很大的限制。
国内外通常选用的玻璃基体是Al2O3-B2O3系统和Al2O3-B2O3-SiO2系统，稀土离子的掺入量受到严重限制，实用玻璃的Verdet常数较小，远远满足不了市场需求。此外，在特种光学玻璃熔制和大块玻璃成形方面，我国技术尚不成熟。所以，增大玻璃基体中稀土离子的掺杂浓度，提高Verdet常数和大块磁光玻璃成形技术成为制约高性能磁光玻璃研究与应用的关键技术。为了达到实用化的目的，必须开发生产成本低的大尺寸、高性能法拉第磁光玻璃的制备工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高维尔德常数磁光玻璃及其制备方法，本发明磁光玻璃的维尔德常数可达-0.425min/Oe·cm(632.8nm)，远高于国际上通用的铽玻璃。
为实现上述目的，本发明提供了一种高维尔德常数磁光玻璃，其原料组分以及摩尔百分比为：Tb2O3：15～40％；Dy2O3：0～25％；B2O3+SiO2：30～60％；Ga2O3：0～30％；ZnO：0～10％；ZrO：0～8％；CaF2：0～5％；P2O5：0～5％；TiO2：0～10％。
为实现上述目的，本发明还提供了一种高维尔德常数磁光玻璃的制备方法，首先，将原料按照摩尔百分比称取并混合；接着，调节加热炉的温度为1250℃后，依次将原料放置于加热炉内的坩埚内，然后，升高温度至1350～13800℃，搅拌3～5小时，再接着，炉冷至1250℃后，将加热炉内的物料倒入模具内退火即可。
本发明高维尔德常数磁光玻璃及其制备方法至少具有以下优点：
(1)采用双掺杂的办法，即用Tb和Dy稀土离子共掺杂的办法，既可以提高稀土离子在磁光玻璃基体中的掺入量，又可以节约成本，在本发明中，稀土离子的有效浓度NR 3+可以达到1.414×1022/cm3；
(2)铝硼硅酸盐系基质玻璃中稀土离子的掺入量较其他体系的基质玻璃较多，而且玻璃的性质相对较好。但是过量硼的引入，会导致一系列问题，最难解决的是硼铝反常，硼反常等。针对这一问题，本发明用镓(Ga)来代替铝(Al)，还可以采用少量磷(P)来改善玻璃的性能，以此解决由硼引起的反常问题。在GBS系统中，由于Ga2O3熔点低，且镓氧多面体比铝氧多面体的体积大，更利于玻璃熔制温度的降低和稀土离子的掺入，使玻璃性能更好；
(3)本发明制备的磁光玻璃的维尔德(verdet)常数可达-0.425min/Oe·cm(632.8nm)，远高于国际上通用的铽玻璃。
附图说明
图1是本发明磁光玻璃的透射光谱图；
图2是本发明检测用旋光仪的结构示意图。
图中标号与元件的对应关系如下：
1：He-Ne激光器；2：起偏器；3：第一磁铁；4：第二磁铁；5：检偏器；
6：检测仪；7：记录仪。
具体实施方式
一种高维德常数磁光玻璃的原料及摩尔百分比如下：
 实施例1  实施例2  实施例3  实施例4  实施例5  实施例6  实施例7
  Tb2O3   25％   30％   35％   15％   40％   15％   20％
  Dy2O3   0％   5％   10％   25％   0％   0％   3％
  B2O3   20％   25％   24％   22％   35％   16％   16％
  SiO2   20％   10％   16％   10％   15％   44％   14％
  Ga2O3   15％   15％   10％   0％   2％   6％   30％
  ZnO   6％   5％   4％   10％   3％   1％   0％
  ZrO   3％   0％   1％   5％   2％   8％   4％
  CaF2   3％   3％   3％   0％   2％   5％   4％
  P2O5   5％   4％   4％   3％   1％   0％   3％
  TiO2   3％   3％   3％   10％   0％   5％   6％
实施例1
按照以上实施例1所述的原料以及摩尔比称取原料并混合，然后使硅钼棒电炉内温度升至1250℃时，逐次加原料于铂金坩锅内后，继续升温至1350℃，搅拌3小时，随后，炉冷至1250℃后倒入模具中退火。
实施例2
按照以上实施例2所述的原料以及摩尔比称取原料并混合，然后使硅钼棒电炉内温度升至1250℃时，逐次加原料于铂金坩锅内后，继续升温至1355℃，搅拌3.2小时，随后，炉冷至1260℃后倒入模具中退火。
实施例3
按照以上实施例3所述的原料以及摩尔比称取原料并混合，然后使硅钼棒电炉内温度升至1250℃时，逐次加原料于铂金坩锅内后，继续升温至1360℃，搅拌3.5小时，随后，炉冷至1270℃后倒入模具中退火。
实施例4
按照以上实施例4所述的原料以及摩尔比称取原料并混合，然后使硅钼棒电炉内温度升至1250℃时，逐次加原料于铂金坩锅内后，继续升温至1365℃，搅拌3.8小时，随后，炉冷至1280℃后倒入模具中退火。
实施例5
按照以上实施例5所述的原料以及摩尔比称取原料并混合，然后使硅钼棒电炉内温度升至1250℃时，逐次加原料于铂金坩锅内后，继续升温至1370℃，搅拌4小时，随后，炉冷至1280℃后倒入模具中退火。
实施例6
按照以上实施例6所述的原料以及摩尔比称取原料并混合，然后使硅钼棒电炉内温度升至1250℃时，逐次加原料于铂金坩锅内后，继续升温至1375℃，搅拌4.5小时，随后，炉冷至1290℃后倒入模具中退火。
实施例7
按照以上实施例7所述的原料以及摩尔比称取原料并混合，然后使硅钼棒电炉内温度升至1250℃时，逐次加原料于铂金坩锅内后，继续升温至1380℃，搅拌5小时，随后，炉冷至1300℃后倒入模具中退火。
本发明组分中，B2O3、SiO2为玻璃网络形成体且B2O3与SiO2的含量以30～60％为宜，且B2O3与SiO2分别以硼酸(H3BO3)和二氧化硅(SiO2)的形式引入；Ga2O3是网络中间体，能降低玻璃的结晶倾向，调整玻璃网络结构，增强玻璃网络结构致密度，提高玻璃的化学稳定性和热稳定性，且Ga2O3熔点较低，主要以氧化物(Ga2O3)的形式引入；ZnO和ZrO2以氧化物的形式引入，有利于提高玻璃成玻性能，减少析晶倾向，降低熔化温度，改善玻璃的物理化学性能；CaF2在熔制过程中起到澄清剂的作用，直接以氟化物(CaF2)的形式引入；以(NH4)2HPO4的形式引入P2O5，可提高玻璃的成玻性能，降低玻璃的粘度，同时还能起到弱还原作用，使部分Tb4+离子向Tb3+的转化，增大玻璃的磁光效应；TiO2用于改善玻璃的熔制性能；Tb2O3与Dy2O3分别以稀土氧化物Tb4O7、Dy2O3的形式引入。
本发明磁光玻璃中稀土离子的有效浓度NR 3+可以达到1.414×1022/cm3；玻璃的折射率N＝1.77～2.17、密度ρ＝3.86～5.33g/cm3，随着稀土掺杂量的增加而增大，膨胀系数α反之，小于40×10-7/℃。
此外，请参阅图1所示，本发明磁光玻璃在可见光和近红外区的透过率可以达到80％，具有较高的使用价值。
经过自制旋光仪测试，本发明磁光玻璃的维尔德(verdet)常数可达-0.425min/Oe·cm(632.8nm)，远高于国际上通用的铽玻璃。
上述所述的旋光仪结构如图2所示，包括相对设置的第一磁铁3和第二磁铁4、依次置于第一磁铁3一侧的起偏器2和He-Ne激光器1，以及依次置于第二磁铁4一侧的检偏器5、检测仪6和记录仪7，所述样品置于第一磁铁3和第二磁铁4之间。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种高维尔德常数磁光玻璃，其特征在于：其原料组分以及摩尔百分比如下：
Tb2O3                    15～40％；
Dy2O3                    0～25％；
B2O3+SiO2                30～60％；
Ga2O3                    0～30％
ZnO                      0～10％
ZrO                      0～8％
CaF2                     0～5％
P2O5                     0～5％
TiO2                     0～10％。
2.如权利要求1所述的高维尔德常数磁光玻璃，其特征在于：所述B2O3的摩尔百分比为16～35％，所述SiO2的摩尔百分比为16～35％。
3.一种权利要求1或2所述的高维尔德常数磁光玻璃的制备方法，其特征在于：称取原料并混合后，调节加热炉的温度为1250℃后，依次将原料放置于加热炉内的坩埚内，然后，升高温度至1350～1380℃，搅拌3～5小时，再接着，炉冷至1250℃后，将加热炉内的物料倒入模具内退火即可。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述加热炉采用硅钼棒电炉。
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