CN102765883B - 一种钇铝石榴石微晶玻璃的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无机材料制备技术领域,涉及一种钇铝石榴石微晶玻璃的制备方法,先将原料混合为混合料装入球磨罐中,再加入等质量且大小不同的玛瑙球,在球磨机上球磨2小时以上,得混合玻璃料;将混合玻璃料在油压机中压成柱状后放入氧化铝坩埚中,在马弗炉中熔融后降温得熔融玻璃料;将熔融玻璃料在15分钟内降温到1250℃后再保温2小时后,调节温度为1000℃再保温1-20小时;然后随炉冷却到600℃时再保温6小时以上后,自然冷却到室温制得透明的YAG微晶玻璃;其制备工艺简单,原材料易得,成本低,产品的尺寸大,形状复杂,透明性好,光谱性质易于调整,应用性好,环境友好。
Description
技术领域:
本发明属于无机材料制备技术领域,涉及一种新型的SiO2-Al2O3-Y2O3-PbO系统钇铝石榴石微晶玻璃的制备方法,微晶玻璃能够析出单一晶相YAG,其透光性不受晶粒尺寸限制,属于完全透明的YAG微晶玻璃,其激光效率优于现有技术产品及其系统。
背景技术:
在现有技术中,通常所说的钇铝石榴石(Y3Al5O12)简称YAG属于立方晶系,其折射率在1.82左右,莫氏硬度为8.3左右,无色,其中文名称是钇铝石榴石来源于yttrium aluminum garnet,是Y2O3和Al2O3在高温反应时生成的化合物;是一种具有优良光学性能的无机非金属材料。目前,应用最广泛且效率最高的固体激光器仍然是掺杂稀有元素的YAG激光器,其具有量子效率高,受激辐射面积大,产生激光振荡的阈值低,而且高温蠕变小。如掺杂Nd3+YAG激光器是四能级激光器,其最强的4F3/2→4I11/2跃迁产生1.06μm激光输出,是目前在室温下能够连续工作的唯一固体工作物质。现有的稀土离子掺杂的YAG单晶主要是由提拉法制备,该方法由于稀土离子的掺杂量有限,所以激光效率很难提高,同时生产周期长,工艺复杂,原料要求苛刻,生产成本高,熔融温度高,耗能大,难以做成大尺寸。为了提高稀土离子的掺杂量得到大尺寸YAG材料,人们研究制备了YAG透明陶瓷,但是,制备YAG透明陶瓷并不比制备YAG单晶容易,为了消除气孔从粉体开始直到烧结每一步都要求苛刻,烧结温度高,气氛严格控制,结果还达不到透明要求。YAG微晶玻璃可以避开单晶和透明陶瓷制备上的困难,且具有两者的优点,熔融温度比单晶和陶瓷低,设备投资少,生产效率高,原料为分析纯,不受尺寸、气氛、掺杂量的限制。现有YAG微晶玻璃的制备方法的记载文献和专利虽然已有公开报道,但归结起来普遍存在两个突出问题,一是玻璃的熔制温度在1650℃以上,制备时需要昂贵的铂金坩埚;二是透明度低,且在微晶尺寸超过60nm时即完全失透。
发明内容:
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点,寻求设计制备一种钇铝石榴石微晶玻璃,该方法易实现大尺寸和复杂形状的微晶玻璃的制备,其产品透明性好,物理化学性能和光谱性质易于调配,易于拉制成光纤状YAG微晶玻璃。
为了实现上述目的,本发明选择PbO-Y2O3-A12O3-SiO2玻璃系统,通过调整PbO与SiO2的配比有效调节玻璃折射率,实现YAG微晶与玻璃基质的折射率匹配,减少散射,提高YAG微晶玻璃的透明度,PbO能够大幅度降低熔融温度,避免对铂金坩埚高条件要求,降低生产成本;其具体工艺包括玻璃料混合、玻璃料熔化和保温处理三个步骤:
(1)、玻璃料混合:将原料按摩尔比选取Al2O3为10~20mol%、Y2O3为6~14mol%、SiO2为20~50mol%、PbO为30~70mol%和B2O3为0~3mol%混合为混合料,混合料装入球磨罐中,再加入与混合料等质量且大小不同的玛瑙球,在球磨机上球磨2小时以上,得混合玻璃料;
(2)、玻璃料熔化:将混合玻璃料在油压机中控制10GPa条件下压成柱状后放入氧化铝坩埚中,再放入1600℃型马弗炉中熔融,设置马弗炉温度为1400℃保温1小时熔融后10分钟降到1350℃再保温2小时,得熔融玻璃料;
(3)、保温处理:将上述1350℃保温的熔融玻璃料在15分钟内降温到1250℃后再保温2小时后,调节温度为1000℃再保温1-20小时;然后随炉冷却到600℃时再保温6小时以上,最后,自然冷却到室温并取出制得的透明的YAG微晶玻璃。
本发明采用新的基础玻璃体系,先将熔融温度从1600℃多度降低到1400℃,使用氧化铝坩埚即可,省去了昂贵的铂金坩埚,降低了生产成本;从性能上讲,由于激光工作物质要求必须透明,现有的微晶玻璃不易做到透明,必须严格控制析晶使其微晶尺寸在50nm以下,否则衍射散射将导致失透,究其原因是由于YAG微晶与玻璃基质之间存在大的折射率差;YAG晶体的折射率为1.82,大多数硅酸盐玻璃的折射率为1.50左右;铅硅玻璃的折射率随着PbO/SiO2的比值在1.60—2.00之间变化,通过调整PbO/SiO2的比值可以有效调节玻璃折射率,实现YAG微晶与玻璃基质的折射率匹配,使微晶玻璃透明;PbO/SiO2的比值在很宽的范围内变化并不影响YAG析晶,而透明度有大的变化,制备的样品YAG微晶达到250nm仍然透明,实现了折射率匹配;样品在1000℃经过2小时热处理后出现了YAG微晶沿〈110〉晶向的择优取向,同时结晶度略有下降。
本发明与现有技术相比,其制备工艺简单,原材料易得,成本低,产品的尺寸大,形状复杂,透明性好,光谱性质易于调整,应用性好,环境友好。
附图说明:
图1为本发明涉及的钇铝石榴石微晶玻璃XRD图谱。
图2为本发明实施例中的2mm厚样品实物图,表面抛光好。
具体实施方式:
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例:
本实施例的具体实施工艺包括玻璃料混合、玻璃料熔化和保温处理三个步骤:
(1)、玻璃料混合:将化学纯原料按照摩尔配比,其中Al2O3为10~20mol%;Y2O3为6~14mol%;SiO2为20~50mol%;PbO为30~70mol%;B2O3为0~3mol%,混合后装入球磨罐中,加入与混合料等质量且大小不均的玛瑙球,放在球磨机上球磨2小时以上,得混合玻璃料;
(2)、玻璃料熔化:将混合玻璃料在油压机中10GPa条件下压成柱状后放入氧化铝坩埚中,再放入1600℃型马弗炉中熔融,设置电炉温度为1400℃保温1小时熔融后10分钟降到1350℃再保温2小时,得熔融玻璃料;
(3)、保温处理:将上述1350℃保温的熔融玻璃料在15分钟内降到1250℃后再保温2小时后,调节温度1000℃再保温1-20小时;然后随炉冷却到600℃时再保温6小时以上,最后,自然冷却到室温并取出制得的透明的YAG微晶玻璃。
本实施例选择试验编号为C1和C2的两组原料配比,具体摩尔配比如表中所列:
试验编号 | SiO2/(mol%) | PbO/(mol%) | Al2O3/(mol%) | Y2O3/(mol%) | B2O3/(mol%) |
C1 | 37.389 | 38.635 | 15.285 | 6.772 | 1.919 |
C2 | 39.389 | 36.635 | 15.285 | 6.772 | 1.919 |
先按照表中配比取料后装入球磨罐中,加入等量的且尺寸大小不均等的玛瑙球在球磨机上球磨3-5小时,再在油压机10MPa下压成柱体料后放入氧化铝坩埚在马弗炉中于1400℃保温1小时熔融后,10分钟降到1350℃再保温2小时;再用15分钟降温到1000℃保温,其中C1保温1小时、C2保温2小时后,随炉冷却到600℃再保温7-10小时,最后自然冷却到室温后取出即得透明的YAG微晶玻璃样品;对制得的YAG微晶玻璃样品进行检测分析,从图1的XRD图谱可看出:C1和C2都析出了YAG微晶,C1样品中YAG微晶的取向是随机的,C2样品中YAG微晶是沿〈110〉晶向择优取向的,说明1000℃保温用的时间对YAG微晶的取向有很大影响。
Claims (1)
1.一种钇铝石榴石微晶玻璃的制备方法,其特征在于选择PbO-Y2O3-A12O3-SiO2玻璃系统,通过调整PbO与SiO2的配比调节玻璃折射率,实现YAG微晶与玻璃基质的折射率匹配;具体工艺包括玻璃料混合、玻璃料熔化和保温处理三个步骤:
(1)、玻璃料混合:将原料按摩尔比选取Al2O3为10~20mol%、Y2O3为6~14mol%、SiO2为20~50mol%、PbO为30~70mol%和B2O3为0~3mol%混合为混合料,混合料装入球磨罐中,再加入与混合料等质量且大小不同的玛瑙球,在球磨机上球磨2小时以上,得混合玻璃料;
(2)、玻璃料熔化:将混合玻璃料在油压机中控制10GPa条件下压成柱状后放入氧化铝坩埚中,在1600℃型马弗炉中熔融,设置马弗炉温度为1400℃保温1小时熔融后10分钟降到1350℃再保温2小时,得熔融玻璃料;
(3)、保温处理:将上述1350℃保温的熔融玻璃料在15分钟内降温到1250℃后再保温2小时后,调节温度为1000℃再保温1-20小时;然后随炉冷却到600℃时再保温6小时以上,最后,自然冷却到室温并取出制得的透明的YAG微晶玻璃。
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