CN103288352A - SiO2—NaF—Er3+：GGG系玻璃陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG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，其摩尔百分组成为SiO₂：35—55，NaF：42—60，Er³⁺：GGG：1—18，其制备方法，首先制备出Er³⁺：GGG粉体，然后经高温熔融制备出SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG系统的玻璃，而后经热处理制备玻璃陶瓷；本发明制备的玻璃陶瓷工艺简单，成本较低，呈半透明状，具有优良的物理化学性质，适用于光纤放大器等领域。

Description

SiO2—NaF—Er3+:GGG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SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG系玻璃陶瓷及其制备方法。 

背景技术

钆镓石榴石(Gd₃Ga₅O₁₂)空间群为O_h(10)-Ia3d，属立方晶系，其晶格常数为12.377埃。它的分子式结构又可写成Gd³⁺ ₃Ga³⁺ ₂(Ga³⁺O^2- ₄)₃。在单位晶胞中有8个Gd₃Ga₅O₁₂分子。一共有24个钆离子，40个镓离子，96个氧离子。八面体的镓离子形成体心立方结构，四面体的镓离子和十二面体的钆离子处于立方体的面等分线上，八面体和四面体都是歪扭的。钆镓石榴石中Gd³⁺离子和稀土离子的半径比较接近，使得可以在十二面体格位中有可能掺入一定数目的作为激活离子的任何三价稀土离子，而且还可以在八面体格位接受额外的作为敏化离子用的三价过渡金属离子。 

近些年钆镓石榴石由于具有较高的热导率、良好的化学稳定性和机械性能，并能为激活离子提供合适的晶体场，使材料产生较高发光效率，因此近些年来成为发光材料和激光材料的基质已被广泛研究。 

玻璃陶瓷，又称微晶玻璃, 是指同时具有晶态和非晶态特征的一类新型材料。通过热处理使基础玻璃中的晶核长大，从而形成均匀分布的微小晶体，控制微晶的尺寸可以保持玻璃陶瓷的透明性。氟化物玻璃是稀土离子掺杂较好的基质，稀土离子激活的稀土氟化物、稀土碱金属和稀土金属等复合氟化物是目前研究最多的上转换材料，因为它们具有声子能量低和上转换效率高等优点；氧化物玻璃的声子能量高，因而上转换效率低，但具有稳定性好、机械强度大、制备工艺简单的特点，得到广泛应用；氟化物玻璃和氧化物玻璃两者的结合物，将极有可能成为激光材料的合适基体，从而氧氟化物玻璃陶瓷受到各国研究机构的广泛关注。 

稀土离子掺杂的氧氟化物玻璃，是近几年才发展起来的一类新的玻璃材料，兼具氟化物和氧化物的优点，在光纤放大器领域有着越来越多的关注。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）成功的弥补了光传输过程中光的损耗，增加了光的有效传输距离，成为国际上长途高速光纤通信线路的主要技术方向。所以，对稀土离子掺杂的氧氟化物玻璃陶瓷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SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG系玻璃陶瓷及其制备方法。采用SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG系统，得到主晶相为Er³⁺：GGG的玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷具有高激发效率、寿命长、高热导率等优良的物理化学性质，可实现补充光纤通讯信号在传输过程中的能量损失，从而实现长距离，高容量的光通讯。本发明工艺简单、可用于批量生产。 

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG系玻璃陶瓷，所述玻璃陶瓷其摩尔百分组成为：

  SiO₂：35—55；

    NaF：42—60；

    Er³⁺：GGG：1—18。

2.SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG系玻璃陶瓷的制备方法，所述方法包括以下过程： 

a. Er³⁺：GGG粉体的制备:按以下的摩尔百分比的配方Ga(NO₃)₃：50ml（0.1mol/L），Gd(NO₃)₃：28.5ml（0.1mol/L），Er(NO₃)₃：1.5ml（0.1mol/L），乙二醇：3.34ml，柠檬酸：0.769g称量（分析纯），在烧杯中充分混合，放在电炉上缓慢蒸干，得到黑褐色的Er³⁺：GGG前驱体，倒入刚玉坩埚中，在电阻炉中700—900℃保温2h，得到Er³⁺：GGG粉体;

b.SiO₂—NaF— Er³⁺：GGG系玻璃的熔制:按以下摩尔百分比的配方SiO₂：35—55（分析纯），NaF：42—60（分析纯），Er³⁺：GGG：1—18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—1600℃，保温0.5—2小时，将熔化好的玻璃液倒在不锈钢模具上，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，关闭电源随炉冷却至室温后获得玻璃样品;

c.SiO₂—NaF— Er³⁺：GGG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1000—1200℃，升温速率为6℃/min，保温时间为1—2小时，关闭电源随炉冷却至室温后，得到主晶相为Er³⁺：GGG的玻璃陶瓷。

本发明的优点与效果是： 

本发明提供一种生产工艺简单、可用于批量生产的SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG系玻璃陶瓷制备方法，该玻璃陶瓷具有高激发效率、寿命长、高热导率等优良的物理化学性质，可实现补充光纤通讯信号在传输过程中的能量损失，从而实现长距离，高容量的光通讯。

附图说明

图1为Er³⁺：GGG粉体的X射线衍射（XRD）图； 

图2为SiO₂—NaF—Er³⁺（5%）：GGG系统玻璃经过热处理后的玻璃陶瓷的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称量，分别为：40% SiO₂，55% NaF，5% Er³⁺（5%）：GGG，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1320℃，保温0.5小时后，将熔化的玻璃液倒在不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为650℃，关闭电源随炉冷却至室温获得玻璃样品。将得到的玻璃样品在1010℃进行热处理，升温速率为6℃/min，保温时间为1小时，关闭电源随炉冷却至室温后，得到主晶相为Er³⁺：GGG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：40% SiO₂，53% NaF，7% Er³⁺（5%）：GGG，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1380℃，保温0.5小时后，将熔化的玻璃液倒在不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为670℃，关闭电源随炉冷却至室温获得玻璃样品。将得到的玻璃样品在1020℃进行热处理，升温速率为6℃/min，保温时间为1小时，关闭电源随炉冷却至室温后，得到主晶相为Er³⁺：GGG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：40% SiO₂，50% NaF，10% Er³⁺（5%）：GGG，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1470℃，保温0.5小时后，将熔化的玻璃液倒在不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为700℃，关闭电源随炉冷却至室温获得玻璃样品。将得到的玻璃样品在1050℃进行热处理，升温速率为6℃/min，保温时间为1小时，关闭电源随炉冷却至室温后，得到主晶相为Er³⁺：GGG的玻璃陶瓷。 

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：40% SiO₂，48% NaF，12% Er³⁺（5%）：GGG，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1小时后，将熔化的玻璃液倒在不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为720℃，关闭电源随炉冷却至室温获得玻璃样品。将得到的玻璃样品在1080℃进行热处理，升温速率为6℃/min，保温时间为1小时，关闭电源随炉冷却至室温后，得到主晶相为Er³⁺：GGG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：40% SiO₂，45% NaF，15% Er³⁺（5%）：GGG，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1580℃，保温1小时后，将熔化的玻璃液倒在不锈钢模具上，然后放入马弗炉中进行退火，退火温度为750℃，关闭电源随炉冷却至室温获得玻璃样品。将得到的玻璃样品在1120℃进行热处理，升温速率为6℃/min，保温时间为1.5小时，关闭电源随炉冷却至室温后取出，得到主晶相为Er³⁺：GGG的玻璃陶瓷。 

Claims (2)

1.SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG系玻璃陶瓷，其特征在于，所述玻璃陶瓷其摩尔百分组成为：

SiO₂：35—55；

NaF：42—60；

Er³⁺：GGG：1—18。

2.SiO₂—NaF—Er³⁺：GGG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. Er³⁺：GGG粉体的制备:按以下的摩尔百分比的配方Ga(NO₃)₃：50ml（0.1mol/L），Gd(NO₃)₃：28.5ml（0.1mol/L），Er(NO₃)₃：1.5ml（0.1mol/L），乙二醇：3.34ml，柠檬酸：0.769g称量（分析纯），在烧杯中充分混合，放在电炉上缓慢蒸干，得到黑褐色的Er³⁺：GGG前驱体，倒入刚玉坩埚中，在电阻炉中700—900℃保温2h，得到Er³⁺：GGG粉体;

b.SiO₂—NaF— Er³⁺：GGG系玻璃的熔制:按以下摩尔百分比的配方SiO₂：35—55（分析纯），NaF：42—60（分析纯），Er³⁺：GGG：1—18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—1600℃，保温0.5—2小时，将熔化好的玻璃液倒在不锈钢模具上，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，关闭电源随炉冷却至室温后获得玻璃样品;

c.SiO₂—NaF— Er³⁺：GGG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1000—1200℃，升温速率为6℃/min，保温时间为1—2小时，关闭电源随炉冷却至室温后，得到主晶相为Er³⁺：GGG的玻璃陶瓷。

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