CN105399332B - 一种铒镱共掺铌酸盐透明玻璃陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种铒镱共掺铌酸盐透明玻璃陶瓷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及铒镱共掺铌酸盐透明玻璃陶瓷及其制备方法,其摩尔百分组成为：52SiO2‑8Nb2O5‑15CaCO3‑20H3BO3‑5BaCO3‑0.2Er2O3‑2Yb2O3。制备方法采用熔融晶化技术。发明的铒镱共掺铌酸盐透明玻璃陶瓷的主晶相为铌酸钙，厚度为1mm的铒镱共掺铌酸盐透明玻璃陶瓷在可见光区的透过率为81‑82%，在980nm波长激发下，在520nm、540nm、650nm存在三个发射峰，分别对应2H11/2→4I15/2，4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的跃迁，荧光强度高于相同化学组成的玻璃。

Description

一种铒镱共掺铌酸盐透明玻璃陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及玻璃陶瓷制备技术领域，具体地说涉及铌酸钙为晶相的铒镱共掺铌酸盐透明玻璃陶瓷及其制备方法。
背景技术
玻璃陶瓷是按一定的热处理制度对玻璃进行热处理而得到的多晶固体材料，由于这类材料既有微晶相又有玻璃相，所以它既具有玻璃的易加工性也具有晶体的高发光效率。透明玻璃陶瓷其声子能量低、稀土离子可溶性高，所以其在掺杂稀土后作为激光材料的激光损伤阈值比玻璃和晶体都高，这些优点使其可以用作固体激光材料、上转换发光材料和光存储材料。
近年来，为了寻求具有更好发光效率的基质材料，研究者们开始对各种各样的新材料进行探索，许多铌硅酸盐材料也因其特殊的结构和优异的物理化学性能而在铁电材料、压电材料、发光材料等许多方面脱颖而出。2011年，王森等成功制备了Er3+/Ce3+共掺碲铌酸盐玻璃并对其光学性能进行了研究[光电子·激光，2011, 22（12）, 1810]；2013年，O.Kalawa等制备了Na2O-BaO-Nb2O5-SiO2系玻璃陶瓷并对其介电性能进行了系统的研究[Journal of Electroceramics，2013, 30（1-2）, 87]。目前国内外对铌酸盐玻璃陶瓷的主要研究方向是利用其较好的电学性能和机械性能而用作集成电路中的金属材料的封接，因此没有对其进行稀土掺杂，也未对其荧光性能进行深入研究，所以稀土掺杂铌酸盐玻璃陶瓷，将会替代晶体和玻璃，在光通信、微电子芯片、光纤放大器和激光器工作介质中取得较好的应用。
发明内容
玻璃陶瓷是按一定的热处理制度对玻璃进行热处理而得到的多晶固体材料，由于这类材料既有微晶相又有玻璃相，所以它既具有玻璃的易加工性也具有晶体的高发光效率。透明玻璃陶瓷其声子能量低、稀土离子可溶性高，所以其在掺杂稀土后作为激光材料的激光损伤阈值比玻璃和晶体都高，这些优点使其可以用作固体激光材料、上转换发光材料和光存储材料。
近年来，为了寻求具有更好发光效率的基质材料，研究者们开始对各种各样的新材料进行探索，许多铌硅酸盐材料也因其特殊的结构和优异的物理化学性能而在铁电材料、压电材料、发光材料等许多方面脱颖而出。2011年，王森等成功制备了Er3+/Ce3+共掺碲铌酸盐玻璃并对其光学性能进行了研究[光电子·激光，2011, 22（12）, 1810]；2013年，O.Kalawa等制备了Na2O-BaO-Nb2O5-SiO2系玻璃陶瓷并对其介电性能进行了系统的研究[Journal of Electroceramics，2013, 30（1-2）, 87]。目前国内外对铌酸盐玻璃陶瓷的主要研究方向是利用其较好的电学性能和机械性能而用作集成电路中的金属材料的封接，因此没有对其进行稀土掺杂，也未对其荧光性能进行深入研究，所以稀土掺杂铌酸盐玻璃陶瓷，将会替代晶体和玻璃，在光通信、微电子芯片、光纤放大器和激光器工作介质中取得较好的应用。
附图说明
图1为铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的X射线衍射分析谱图。
图2为铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的扫描电镜照片。
图3为铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的透过率曲线，该图兼作摘要附图。
图4为铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限于这些实施例。
实施例1
按照摩尔百分比52SiO2-8Nb2O5-15CaCO3-20H3BO3-5BaCO3-0.2Er2O3-2Yb2O3，称取各组分，并将上述组分充分混合均匀，置于刚玉坩埚中，放入硅钼炉中，升温至1500℃，使原料熔融成液态，恒温1小时后，将坩埚中的液体倒在已预热的不锈钢模具上固化成型，迅速放入450℃马弗炉中，保温3小时，随炉降至室温，制得铒镱共掺透明铌酸盐玻璃；将透明铌酸盐玻璃样品放入箱式电阻炉中，以3℃/分钟的升温速率升温至820℃，保温1小时，得到铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷；将制得的铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷用切割机切割，然后用不同颗粒尺寸的金刚砂粉料对玻璃陶瓷进行双面镜面研磨和抛光，磨抛达到旧标准光洁度的11级，最终得到铒镱共掺透明玻璃陶瓷样品厚度为1mm。采用X射线衍射分析确定铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的主晶相为铌酸钙，见附图1；采用扫描电子显微镜观察铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的微观形貌，见附图2；采用紫外-可见-近红外分光光度计测量厚度为1mm的铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的光透过率，可见光区可达82%，见附图3；采用荧光光谱仪测量铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的荧光光谱，在980nm波长激发下Er3+/Yb3+共掺玻璃陶瓷样品的发射光谱，图中可见在520nm，540nm，650nm存在三个发射峰，分别对应2H11/2→4I15/2，4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的跃迁，且荧光强度高于相同化学组成的玻璃。
实施例2
按照摩尔百分比52SiO2-8Nb2O5-15CaCO3-20H3BO3-5BaCO3-0.2Er2O3-2Yb2O3，称取各组分，并将上述组分充分混合均匀，置于刚玉坩埚中，放入硅钼炉中，升温至1300℃，使原料熔融成液态，恒温3小时后，将坩埚中的液体倒在已预热的不锈钢模具上固化成型，迅速放入450℃马弗炉中，保温3小时，随炉降至室温，制得铒镱共掺透明铌酸盐玻璃；将透明铌酸盐玻璃样品放入箱式电阻炉中，再以5℃/分钟的升温速率升温至760℃，保温2小时，得到铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷；将制得的铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷用切割机切割，然后用不同颗粒尺寸的金刚砂粉料对玻璃陶瓷进行双面镜面研磨和抛光，磨抛达到旧标准光洁度的11级，最终得到铒镱共掺透明玻璃陶瓷样品厚度为1mm。采用X射线衍射分析确定铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的主晶相为铌酸钙；采用扫描电子显微镜观察铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的微观形貌；采用紫外-可见-近红外分光光度计测量厚度为1mm的铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的光透过率，可见光区可达81%；采用荧光光谱仪测量铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的荧光光谱，在980nm波长激发下Er3+/Yb3+共掺玻璃陶瓷样品的发射光谱，可见在520nm，540nm， 650nm存在三个发射峰，分别对应2H11/2→4I15/2，4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的跃迁，且荧光强度高于相同化学组成的玻璃。
实施例3
按照摩尔百分比52SiO2-8Nb2O5-15CaCO3-20H3BO3-5BaCO3-0.2Er2O3-2Yb2O3，称取各组分，并将上述组分充分混合均匀，置于刚玉坩埚中，放入硅钼炉中，升温至1400℃，使原料熔融成液态，恒温2小时后，将坩埚中的液体倒在已预热的不锈钢模具上固化成型，迅速放入450℃马弗炉中，保温3小时，随炉降至室温，制得铒镱共掺透明铌酸盐玻璃；将透明你酸盐玻璃样品放入箱式电阻炉中，再以4℃/分钟的升温速率升温至800℃，保温1小时，得到铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷；将制得的铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷用切割机切割，然后用不同颗粒尺寸的金刚砂粉料对玻璃陶瓷进行双面镜面研磨和抛光，磨抛达到旧标准光洁度的11级，最终得到铒镱共掺透明玻璃陶瓷样品厚度为1mm。采用X射线衍射分析确定铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的主晶相为铌酸钙；采用扫描电子显微镜观察铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的微观形貌；采用紫外-可见-近红外分光光度计测量厚度为1mm的铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的光透过率，可见光区可达82%；采用荧光光谱仪测量铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷的荧光光谱，在980nm波长激发下Er3+/Yb3+共掺玻璃陶瓷样品的发射光谱，可见在520nm，540nm，650nm存在三个发射峰，分别对应2H11/2→4I15/2，4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的跃迁，且荧光强度高于相同化学组成的玻璃。

Claims (1)

1.一种铒镱共掺铌酸盐透明玻璃陶瓷，其特征在于：该透明玻璃陶瓷的原料化学组成及其摩尔百分比含量如下：52SiO2-8Nb2O5-15CaCO3-20H3BO3-5BaCO3-0.2Er2O3-2Yb2O3，主晶相为铌酸钙，厚度为1mm的透明玻璃陶瓷在可见光区的透过率为81～82％；所述的铒镱共掺铌酸盐透明玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于：该方法由以下工艺步骤所组成：
1)按组成计算称取各组分，并将上述组分充分混合均匀，置于刚玉坩埚或铂金坩埚中，放入硅钼炉中，升温至1300～1500℃，使原料熔融成液态，并在1300～1500℃恒温1～3小时后，将坩埚中的液体倒在已预热的不锈钢模具上固化成型，迅速放入450℃马弗炉中，保温3小时，随炉降至室温，制得铒镱共掺透明铌酸盐玻璃；
2)将透明铌酸盐玻璃样品放入箱式电阻炉中，采用一步热处理，得到铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷，所述一步热处理其特征在于：以3～5℃/分钟的升温速率升温至760～820℃，保温1～2小时；
3)将制得的铒镱共掺透明铌酸盐玻璃陶瓷用切割机切割，然后用不同颗粒尺寸的金刚砂粉料对玻璃陶瓷进行双面镜面研磨和抛光，磨抛达到旧标准光洁度的11级，最终得到铒镱共掺杂的透明玻璃陶瓷样品厚度为1mm。
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