CN108706870A - 一种结构增强的高折射率氧化物玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结构增强的高折射率氧化物玻璃。本发明结构增强的高折射率氧化物玻璃是通过下述步骤制备的：（1）以石英砂、磷酸氢二铵、纯碱、氧化镁、氧化锌和七氧化四铽为原料，将上述原料混合均匀后，于1550~1580℃保温4小时，制得均匀的玻璃液；（2）将玻璃液浇铸在耐热铸铁模具中，然后于590~610℃退火30分钟后冷却至室温，即得到结构增强的高折射率氧化物玻璃。本发明制备出的结构强化的氧化物玻璃，折射率高、物理性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及玻璃新材料技术领域，尤其是涉及一种结构增强的高折射率氧化物玻璃。
背景技术
随着现代光学和光电子学的迅猛发展，光学材料也取得了迅速发展。其中，光学玻璃是光电技术产业的基础和重要组成部分，近二十年来，作为光电子基础材料的光学玻璃在光传输、光储存和光电显示三大领域的应用更是突飞猛进，已成为光电信息技术发展的基础条件之一，尤其是作为透镜使用。高折射率的光学玻璃不但能够实现给定的放大率，同时能够降低其边缘或中心的厚度，进而降低透镜的重量。此外，在光学设计和光通信领域中，提高光学玻璃的折射率也对简化光学系统提高成像质量有着十分重要的意义。
高折射率光学玻璃通常是指折射率大于1.60 的玻璃。总的来说，玻璃的折射率主要取决于玻璃的密度和离子极化率这两个方面。其中，玻璃的密度越大，光在玻璃中的传播速度越慢，其折射率越大；而玻璃内部各离子的极化率（即变形性）越大，当光波通过时光波所能吸收的能量越大，传播速度越低，其折射率越大。要得到高折射率氧化物光学玻璃，现有技术中通常需要加入高价氧化物，这是因为高价氧化物的离子半径一般都较大，使得玻璃的密度和离子极化率增加，如TiO2、ZrO2和镧系氧化物等。然而，由于高价氧化物的在玻璃中较强的分相特征，这些氧化物的含量较多时容易诱导玻璃发生分相，比较典型的氧化物如TiO2和ZrO2，而分相界面的存在会引起光散射损失而降低可见光的透过率，严重时会导致玻璃的“失透”。另一方面，从氧化物的分类来看，这些高价氧化物（如镧系氧化物）在玻璃中主要充当修饰体，即起到“断网”的作用，往往使玻璃熔体的“料性”变短而不利于玻璃制品的生产工艺控制，相应地，玻璃的理化性能也因修饰体含量过多而变差。因此，如何在提高玻璃折射率的同时又不损害其理化性能已成为科研工作者和生产技术人员共同关心的课题。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种结构增强且理化性能良好的高折射率氧化物玻璃。
本发明采用的技术方案为：
一种结构增强的高折射率氧化物玻璃，所述结构增强的高折射率氧化物玻璃是通过下述步骤制备的：
（1）以石英砂、磷酸氢二铵、纯碱、氧化镁、氧化锌和七氧化四铽为原料，将上述原料混合均匀后，在硅钼棒电炉中于1550~1580℃保温4小时，制得均匀的玻璃液；
（2）将玻璃液浇铸在耐热铸铁模具中，然后在马弗炉中于590~610℃退火30分钟后随炉冷却至室温，即得到结构增强的高折射率氧化物玻璃。
优选地，步骤（1）中，原料的熔融温度为1570-1580℃。
优选地，步骤（1）中，所述原料的有效成分的重量份数配比为：SiO2 40.25~42.53%，P2O5 5.75~6.07%，Na2O 15.99~16.88%，MgO 5.92~6.68%，ZnO 4.71~7.88%，Tb2O3 23.25~23.82%。
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优选地，步骤（2）中，将均化的玻璃液浇铸在预热的耐热铸铁模具中，然后在马弗炉中于600~610℃退火30分钟后随炉冷却至室温，即得到结构增强的高折射率氧化物玻璃。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
本发明制备出的氧化物玻璃结构强、折射率高、物理性能良好，而且还易于进行工艺控制。本发明中Tb2O3是实现高折射率的关键成分，Tb2O3的含量越多则越有利于提高玻璃的折射率值。然而，为了避免玻璃的理化性质的劣化，本发明的玻璃组成中包含两种网络形成体氧化物，即SiO2和P2O5，其中P-O-1键较Si-O-1键具有更强吸引阳离子的倾向，因此，Tb离子会优先与P-O-1键进行键合形成Tb-O-P键，而较强的Tb-O-P键的形成强化了玻璃网络结构，有利于改善玻璃的理化性能。本发明中由于[SiO4]四面体和[PO4]四面体的几何结构存在较大差异，因此，玻璃熔体在冷却过程中存在分相的可能，一旦发生分相容易造成玻璃的“失透”，同时，也不利于产品的成型工艺。因此，本发明原料中也引入了MgO和ZnO，该上述两种成分可大大降低因分相而造成玻璃“失透”的风险。具体为：使用本发明所述的配方制备结构强、折射率高的氧化物玻璃的过程中，玻璃熔体在冷却过程中，当粘度的增大至103.0Pa·s时，仍没有发生分相现象，利于工作人员调节熔体的料性，便于产品的成型操作。
具体实施方式
实施例1：
所用原料的重量份组成为：
石英砂38.44份、磷酸氢二铵7.29份、纯碱27.98份、氧化镁6.82份、氧化锌6.68份、七氧化四铽29.02份。
所用原料的有效成分的重量百分数（wt%）为：
SiO2 38.25，P2O5 3.86，Na2O 16.20，MgO 6.68，ZnO 6.61，Tb2O3 28.40。
制造方法具体步骤如下：
（1）将上述原料混合均匀后，在硅钼棒电炉中于1570℃保温4小时，制得均匀的玻璃液；
（2）将均化的玻璃液浇铸在预热的耐热铸铁模具中，然后在马弗炉中于605℃退火30分钟后随炉冷却至室温，即得到结构增强的高折射率氧化物玻璃。经测试，该实施例1中制备出的高折射率氧化物玻璃的折射率值为1.617。此外，本申请中还对该实施例1中制备出的高折射率氧化物玻璃的其他理化性质进行了检测，测试结果见表1，通过对比，该实施例1中制备出的高折射率氧化物玻璃的理化性质均优于普通窗玻璃。
实施例2：
所用原料的重量份组成为：
石英砂39.83份、磷酸氢二铵7.09份、纯碱28.07份、氧化镁6.38份、氧化锌5.35份、七氧化四铽29.45份。
所用原料的有效成分的重量百分数（wt%）为：
SiO2 39.63，P2O5 3.75，Na2O 16.25，MgO 6.25，ZnO 5.30，Tb2O3 28.82。
制造方法具体步骤如下：
（1）将上述原料混合均匀后，在硅钼棒电炉中于1580℃保温4小时，制得均匀的玻璃液；
（2）将均化的玻璃液浇铸在预热的耐热铸铁模具中，然后在马弗炉中于610℃退火30分钟后随炉冷却至室温，即得到结构增强的高折射率氧化物玻璃。经测试，该实施例2中制备出的高折射率氧化物玻璃的折射率值为1.621。此外，本申请中还对该实施例2中制备出的高折射率氧化物玻璃的其他理化性质进行了检测，测试结果见表1，通过对比，该实施例2中制备出的高折射率氧化物玻璃的理化性质均优于普通窗玻璃。
实施例3：
所用原料的重量份组成为：
石英砂38.96份、磷酸氢二铵17.70份、纯碱27.62份、氧化镁6.04份、氧化锌6.95份、七氧化四铽28.99份。
所用原料的有效成分的重量百分数（wt%）为：
SiO2 38.77，P2O5 4.07，Na2O 15.99，MgO 5.92，ZnO 6.88， Tb2O3 28.37。
制造方法具体步骤如下：
（1）将上述原料混合均匀后，在硅钼棒电炉中于1565℃保温4小时，制得均匀的玻璃液；
（2）将均化的玻璃液浇铸在预热的耐热铸铁模具中，然后在马弗炉中于595℃退火30分钟后随炉冷却至室温，即得到结构增强的高折射率氧化物玻璃。经测试，该实施例3制备出的高折射率氧化物玻璃的折射率值为1.612。此外，本申请中还对该实施例3中制备出的高折射率氧化物玻璃的其他理化性质进行了检测，测试结果见表1，通过对比，该实施例3中制备出的高折射率氧化物玻璃的理化性质均优于普通窗玻璃。
实施例4：
所用原料的重量份组成为：
石英砂40.73份、磷酸氢二铵7.46份、纯碱29.16份、氧化镁6.82份、氧化锌3.75份、七氧化四铽28.87份。
所用原料的有效成分的重量百分数（wt%）为：SiO2 40.53，P2O5 3.95，Na2O 16.88，MgO 6.68，ZnO 3.71，Tb2O3 28.25。
制造方法具体步骤如下：
（1）（1）将上述原料混合均匀后，在硅钼棒电炉中于1550℃保温4小时，制得均匀的玻璃液；
（2）将均化的玻璃液浇铸在预热的耐热铸铁模具中，然后在马弗炉中于590℃退火30分钟后随炉冷却至室温，即得到结构增强的高折射率氧化物玻璃。经测试，该实施例4制备出的高折射率氧化物玻璃的折射率值为1.609。此外，本申请中还对该实施例4中制备出的高折射率氧化物玻璃的其他理化性质进行了检测，测试结果见表1，通过对比，该实施例4中制备出的高折射率氧化物玻璃的理化性质均优于普通窗玻璃。
由于玻璃转变温度（Tg）的高低是玻璃网络结构强度的直观反映，Tg值越高则说明玻璃结构越强；反之，玻璃中的化学键越弱则Tg值越低。因此，本申请中通过热分析手段测量实施例1～4中制备出的氧化物玻璃的玻璃转变温度，进而判断其网络强化程度，并与普通窗玻璃进行了比较。
表1即为本申请中实施例1~4中制备出的氧化物玻璃与普通窗玻璃的主要工艺参数和理化性质的检测数据：
由表1可知，本申请中实施例2为最佳实施例，由实施例2获得的氧化物玻璃的玻璃转变温度为616℃，比普通窗玻璃的转变温度高66℃，这表明本申请中的氧化物玻璃除了具有较高的折射率外，玻璃网络结构强度并没有劣化；相反，玻璃的结构获得了强化。
Claims (5)
1.一种结构增强的高折射率氧化物玻璃，其特征在于：所述结构增强的高折射率氧化物玻璃是通过下述步骤制备的：
（1）以石英砂、磷酸氢二铵、纯碱、氧化镁、氧化锌和七氧化四铽为原料，将上述原料混合均匀后，于1550~1580℃保温4小时，制得均匀的玻璃液；
（2）将玻璃液浇铸在耐热铸铁模具中，然后于590~610℃退火30分钟后冷却至室温，即得到结构增强的高折射率氧化物玻璃。
2.根据权利要求1所述的结构强、折射率高的氧化物玻璃，其特征在于：步骤（1）中，原料的熔融温度为1570-1580℃。
3.根据权利要求1所述的结构强、折射率高的氧化物玻璃，其特征在于：步骤（1）中，所述原料的有效成分的重量份数配比为：SiO2 40.25~42.53%，P2O5 5.75~6.07%，Na2O 15.99~16.88%，MgO 5.92~6.68%，ZnO 4.71~7.88%，Tb2O3 23.25~23.82%。
4.根据权利要求3所述的结构强、折射率高的氧化物玻璃，其特征在于：步骤（1）中，所述原料的有效成分的重量份数配比为，SiO2 40.25~42.00%，P2O5 5.85~6.07%，Na2O 15.99~16.50%，MgO 5.92~6.50%，ZnO 6.00~7.88%，Tb2O3 23.30~23.82%。
5.根据权利要求1所述的结构强、折射率高的氧化物玻璃，其特征在于：步骤（2）中，将均化的玻璃液浇铸在预热的耐热铸铁模具中，然后在马弗炉中于600~610℃退火30分钟后随炉冷却至室温，即得到结构增强的高折射率氧化物玻璃。
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2018
- 2018-07-10 CN CN201810748547.8A patent/CN108706870B/zh active Active
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