CN103265177A - P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷及其制备方法 - Google Patents

P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷及其制备方法 Download PDF

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张永明
宋国轶
马晶
曹启华
于磊
王振军
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P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷及其制备方法，涉及一种玻璃陶瓷及其制备方法，玻璃陶瓷其摩尔百分组成为P2O5：40—70，BaO：10—30，Na2O：1—15，K2O：1—15，Gd2O3：6—20，Eu2O3：1—6，经熔融法在1250-1650℃保温0.5-2小时制备出P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系统玻璃，在600℃退火后获得玻璃样品，将玻璃样品在600-1400℃进行热处理，保温1-20小时制得玻璃陶瓷。本发明制备的玻璃陶瓷工艺简单，成本较低，呈半透明状，具有稀土离子溶解度高、稀土离子在其中的光谱性能好、非线性系数小、激光阈值低等优良的物理化学性质，适用于光纤放大器等领域。

Description

P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种玻璃陶瓷及其制备方法，特别是涉及一种P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷及其制备方法。
背景技术
磷酸盐玻璃由于其声子能量适中、对稀土离子溶解度高、稀土离子在其中的光谱性能优良、非线性系数小等优点，以及铕、钕等稀土离子优良的发光性能，使得制备出稀土离子掺杂浓度大、透明度高、激光振荡阈值低、受激发射截面大、无辐射跃迁几率低、热膨胀系数低的激光材料成为可能，改变了之前磷酸盐玻璃一直应用于制备骨骼代替材料的局面，近年来被广泛研究且应用于光通信放大器、超短脉冲激光器、激光测距、激光武器等领域。
近年来，人们已经从许多玻璃陶瓷系统中获得了高透过率的制品。透明玻璃陶瓷作为一种新型功能材料，不仅具有优异的光学性能，而且具有低膨胀、高的机械强度、硬度，良好的热、化学稳定性及介电性能，在光电子、激光技术中得到了应用，稀土掺杂透明玻璃陶瓷则有望成为新一代的激光材料。
对不同基质材料的研究中，众所周知，GdPO4是有效的基质材料，如掺杂Eu3+离子和Tb3+离子，其镧系正磷酸盐作为稳定的基质材料，一直被广泛的研究和应用。镧系正磷酸盐有两种晶体结构：单斜晶系独居石结构和四方晶系锆石结构。其中GdPO4为四方晶系锆石结构，而EuPO4为单斜晶系独居石结构。
上转换发光与激光的应用对于发展光盘技术，信息技术，彩色显示和彩色打印等技术具有十分重要的作用，对于生物医学诊断和水下光通讯等方面也有广泛的应用。光纤放大器（Optical Fiber Ampler，简写OFA）是指运用于光纤通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器，是在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土元素，通过激光器提供的光激励，使通过的光信号得到放大，同传统的半导体激光放大器（SOA）相比较，OFA不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对信号进行全光放大，具有很好的“透明性”，特别适用于长途光通信的中继放大。可以说，OFA为实现全光通信奠定了一项技术基础。而近年来研制的掺铒光纤放大器（EDFA）成功的弥补了光线传输过程中光的损耗，增加了光的有效传输距离，正成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。所以，对其进行进一步的深入研究有着重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷及其制备方法。采用P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系统，得到主晶相为GdPO4的玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷具有成型工艺简单、高激发效率、良好的化学稳定性、高热导率、寿命长、稀土离子溶解度高等优良的物理化学性质，可实现其在光放大器及上转换发光与激光等领域的应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷摩尔百分组成为：
 P2O5：40—70；
BaO：10—30；
Na2O： 1—15；
K2O：1—15；
Gd2O3：6—20；
Eu2O3：1—6。
P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷的制备方法，所述方法包括以下过程：
a.P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd 2O3—Eu2O3系玻璃的熔制：按以下摩尔百分比的配方P2O5：40—70，BaO：10—30，Na2O：1—15，K2O：1—15，Gd 2O3：6—20，Eu2O3：1—6，其中P2O5、BaO、Na2O和K2O分别以NH4H2PO4（分析纯）、BaCO3（分析纯）、Na2CO3（分析纯）和K2CO3（分析纯）形式引入，Gd2O3（分析纯）、Eu2O3（分析纯）以氧化物形式引入，称量各原料，将原料混合均匀后倒入铂金坩埚中熔化，熔化温度为1250—1650℃，保温0.5—2小时，将熔化好的玻璃液倒在预热好的不锈钢模具上，然后放入马弗炉中于玻璃转变温度Tg处保温1—2小时进行退火，关闭马弗炉随炉冷却至室温后获得玻璃样品；
b.P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd 2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷的制备：根据得到玻璃样品的热分析实验数据，将玻璃放入电阻炉进行微晶化热处理，热处理温度为600—1400℃，保温时间为1—20小时，关闭电源随炉冷却至室温，得到纯相为GdPO4的玻璃陶瓷样品。
本发明的优点与效果是：
本发明提供一种工艺简单、可用于生产实践中的P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷制备方法，该玻璃陶瓷具有成型工艺简单、高激发效率、良好的化学稳定性、高热导率、寿命长、稀土离子溶解度高等优良的物理化学性质，可实现其在光放大器及上转换发光与激光等领域的应用。
附图说明
图1为P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系统经过1330℃热处理1h后的玻璃陶瓷的X射线衍射（XRD）图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对发明作进一步的详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实例1：将原料按照基质玻璃中各组分所占摩尔百分含量进行秱量，分别为：P2O5：53，BaO：16，Na2O：7.5，K2O：8.5，Gd 2O3：14.55，Eu2O3：0.45，将准确称量好的30g原料均匀混合后，倒入铂金坩埚中熔化，熔化温度为1520℃，保温0.5小时后，将熔化的玻璃液倒在预热好的不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为600℃，关闭电源随炉冷却至室温。将得到的玻璃样品在670℃进行热处理，升温速率为10℃/min，保温时间为1小时，关闭电源随炉冷却至室温后取出，得到主晶相为Gd PO4和次晶相为Ba7Ga4O13、Ba4P5、GaPO4、Ba(PO3)2等的玻璃陶瓷。
实例2：将原料按照基质玻璃中各组分所占摩尔百分含量进行称量，分别为：P2O5：53，BaO：16，Na2O：7.5，K2O：8.5，Gd 2O3：14.55，Eu2O3：0.45，将准确称量好的30g原料均匀混合后，倒入铂金坩埚中熔化，熔化温度为1520℃，保温0.5小时后，将熔化的玻璃液倒在预热好的不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为600℃，关闭电源随炉冷却至室温。将得到的玻璃样品在800℃进行热处理，升温速率为10℃/min，保温时间为1小时，关闭电源随炉冷却至室温后取出，得到主晶相为Gd PO4和次晶相为K6Ga2O6、K5P3O10、NaPO3等的玻璃陶瓷。
实例3：将原料按照基质玻璃中各组分所占摩尔百分含量进行称量，分别为：P2O5：53，BaO：16，Na2O：7.5，K2O：8.5，Gd 2O3：14.55，Eu2O3：0.45，将准确称量好的30g原料均匀混合后，倒入铂金坩埚中熔化，熔化温度为1520℃，保温0.5小时后，将熔化的玻璃液倒在预热好的不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为600℃，关闭电源随炉冷却至室温。将得到的玻璃样品在1000℃进行热处理，升温速率为10℃/min，保温时间为1小时，关闭电源随炉冷却至室温后取出，得到主晶相为Gd(PO3)3和次晶相为GdPO4玻璃陶瓷。
实例4：将原料按照基质玻璃中各组分所占摩尔百分含量进行称量，分别为：P2O5：53，BaO：16，Na2O：7.5，K2O：8.5，Gd 2O3：14.55，Eu2O3：0.45，将准确称量好的30g原料均匀混合后，倒入铂金坩埚中熔化，熔化温度为1520℃，保温0.5小时后，将熔化的玻璃液倒在预热好的不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为600℃，关闭电源随炉冷却至室温。将得到的玻璃样品在1100℃进行热处理，升温速率为10℃/min，保温时间为1小时，关闭电源随炉冷却至室温后取出，得到主晶相为Gd PO4和次晶相为Gd (PO3)3的玻璃陶瓷。
实例5：将原料按照基质玻璃中各组分所占摩尔百分含量进行称量，分别为：P2O5：53，BaO：16，Na2O：7.5，K2O：8.5，Gd 2O3：14.55，Eu2O3：0.45，将准确称量好的30g原料均匀混合后，倒入铂金坩埚中熔化，熔化温度为1520℃，保温0.5小时后，将熔化的玻璃液倒在预热好的不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为600℃，关闭电源随炉冷却至室温。将得到的玻璃样品在1300℃进行热处理，升温速率为10℃/min，保温时间为1小时，关闭电源随炉冷却至室温后取出，得到纯相为Gd PO4的玻璃陶瓷。

Claims (2)

1.P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷，其特征在于，所述玻璃陶瓷摩尔百分组成为：
 P2O5：40—70；
BaO：10—30；
Na2O： 1—15；
K2O：1—15；
Gd2O3：6—20；
Eu2O3：1—6。
2.P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下过程：
a.P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd 2O3—Eu2O3系玻璃的熔制：按以下摩尔百分比的配方P2O5：40—70，BaO：10—30，Na2O：1—15，K2O：1—15，Gd 2O3：6—20，Eu2O3：1—6，其中P2O5、BaO、Na2O和K2O分别以NH4H2PO4（分析纯）、BaCO3（分析纯）、Na2CO3（分析纯）和K2CO3（分析纯）形式引入，Gd2O3（分析纯）、Eu2O3（分析纯）以氧化物形式引入，称量各原料，将原料混合均匀后倒入铂金坩埚中熔化，熔化温度为1250—1650℃，保温0.5—2小时，将熔化好的玻璃液倒在预热好的不锈钢模具上，然后放入马弗炉中于玻璃转变温度Tg处保温1—2小时进行退火，关闭马弗炉随炉冷却至室温后获得玻璃样品；
b.P2O5—BaO—Na2O—K2O—Gd 2O3—Eu2O3系玻璃陶瓷的制备：根据得到玻璃样品的热分析实验数据，将玻璃放入电阻炉进行微晶化热处理，热处理温度为600—1400℃，保温时间为1—20小时，关闭电源随炉冷却至室温，得到纯相为GdPO4的玻璃陶瓷样品。
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