CN114538773A - 一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于发光材料制备技术领域，公开了一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，所述发光玻璃的原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O55‑15％，H3BO35‑60％，CdF21‑10％，ZnO 10‑20％，MgO 5‑15％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.05‑2％。将原料按照目标产物的化学计量比准确称量，并在玛瑙研钵中研磨；将处理得到的粉末以4℃/min的速度升温至1100℃后保温1‑4小时，将所述熔融态玻璃料浇筑在400‑500℃的铜板上，并在该温度下保持1‑12小时，制得发光玻璃。本发明以硼磷酸盐为基质，以稀土元素Sm为发光剂的硼磷酸盐发光玻璃，通过调整玻璃原料的浓度研究其密度和近红外区域的吸收系数。采用本技术方案制得硼磷酸盐发光玻璃表现出优异的综合光学性能，适用于橙红色激光及多色显示应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光材料和制备方法，具体涉及一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法。
背景技术
硼磷酸盐发光玻璃是在部分具有优异性能的硼酸盐、磷酸盐玻璃基础上引起人们广泛关注的一个化合物体系。随着光通信系统和发光器件的不断发展，对发光材料的吸收峰、荧光寿命以及发光效率的要求日益提升，硼磷酸盐发光玻璃在激光器领域具有良好的应用前景。
目前，激光技术在医疗和国防等领域引起了研究者的广泛关注，在国际上是研究的热点之一，由于Sm3+离子掺杂玻璃具有较高的量子效率，适合于核聚变激光器应用。Sm3+离子掺杂玻璃的能级非常密集，相邻的两个能级之间的差值非常小，因此对其强度参数和辐射特性的确定是一个挑战。Sm3+离子在可见区域跃迁中有4个发射带，分别属于4G5/2→6H5/2、6H7/2、6H9/2和6H11/2跃迁。其中4G5/2→6H7/2跃迁的发射强度最大，能量跃迁过程是通过交叉弛豫进行的。目前，研究者对稀土Sm3+离子掺杂硼酸钙玻璃、碲酸铅玻璃等的合成及潜在应用进行了一系列的研究，但对稀土Sm3+离子掺杂的硼磷酸盐发光玻璃用于橙红色激光器应用的报道还较少。
针对上述技术问题，本发明提出了一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明方法制备的材料具有较强的发光性能，而且制备方法简单，易实现工业化。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，其特征在于：所述发光玻璃的原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 5-15％，H3BO3 5-60％，CdF2 1-10％，ZnO 10-20％，MgO 5-15％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.05-2％。
一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料配重：分别称取玻璃原料和稀土氧化物，所述的玻璃原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 5-15％，H3BO3 5-60％，CdF2 1-10％，ZnO 10-20％，MgO 5-15％：所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.05-2％；
(2)制备玻璃预混料：将配重比好的玻璃原料和稀土氧化物放入研钵中研磨、混和得到玻璃预混料；
(3)制备完全熔融态的玻璃料：将上述玻璃预混料倒入预先清洁过的氧化铝坩埚，置于马弗炉中，以4℃/min的速度升温至1100℃后保温1-4小时，得到完全熔融态的玻璃料；
(4)制备发光玻璃：将上述完全熔融态的玻璃料浇筑在400-500℃的铜板上，并在该温度下保持1-12小时，以消除硼磷酸盐玻璃内部的热应力，然后冷却至室温，制得发光玻璃。
本发明为改善Sm元素掺杂的玻璃的光学性能，ZnO作为玻璃添加剂，具有稀土离子溶解度高、熔点高、耐酸碱性好等优点；MgO，还可以改善玻璃的物理、光学、非吸湿性能，提高玻璃的莫氏点和高温稳定性；H3BO3，形成硼酸盐，具有高透明度、高热稳定性、高稀土离子溶解度；P2O5，形成磷酸盐，具有低熔点、高热膨胀系数、高折射率、高吸湿性等特点。添加改性剂CdF2，可以调整材料在基体玻璃中的溶解度，降低声子能量，改善玻璃的发射性能，还能去除玻璃中的OH基团，减少光散射损失。此外，B2O3与P2O5的混合产生了新的交联B-O-P键，提高了玻璃的化学键强度。采用熔体淬火方法制备Sm元素掺杂硼磷酸盐玻璃，具有反应快、效率高、节约能源，属于一种安全有效的玻璃制备方法，在保证玻璃质量的同时，可以降低制备成本。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明以硼磷酸盐为玻璃基质，以稀土元素为发光剂，采用熔体淬火法制备稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃，通过调整玻璃原料的种类和浓度，改善玻璃的发光效率。本发明采用的熔体淬火法，制备工艺简单、成本低廉，易实现工业化；且制得硼磷酸盐发光玻璃的发光效率等优异性能可应用于橙红色激光及多色显示中。
附图说明
图1是本发明实施例提供的由波长401nm的光源激发的掺杂有各浓度Sm2O3的硼磷酸盐发光玻璃的光致发光光谱；
图2是本发明实施例提供的掺杂有各浓度Sm2O3的硼磷酸盐发光玻璃的发射颜色在CIE图表(1931)中的色度坐标。
具体实施方式
一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，所述的稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐玻璃原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 5-15％，H3BO3 5-60％，CdF2 1-10％，ZnO 10-20％，MgO 5-15％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.05-2％。
一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，包括以下步骤：
所述发光玻璃的原料由由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 5-15％，H3BO35-60％，CdF2 1-10％，ZnO 10-20％，MgO 5-15％；所述发光玻璃的制备方法包括，原料配重、球磨混料、原料高温熔融、模型浇注、保温退火。
下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：
实施例一
(1)原料配重，分别称取玻璃原料和稀土氧化物，玻璃原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 10％，H3BO3 59.95％，CdF2 5％，ZnO 15％，MgO 10％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.05％；
(2)制备玻璃预混料，将配重比好的玻璃原料和稀土氧化物放入研钵中研磨、混和得到玻璃预混料；
(3)制备完全熔融态的玻璃料，将上述玻璃预混料倒入预先清洁过的氧化铝坩埚，置于马弗炉中，以4℃/min的速度升温至1100℃后保温1小时，得到完全熔融态的玻璃料；
(4)制备发光玻璃，将上述完全熔融态的玻璃料浇筑在450℃的铜板上，并在该温度下保持2小时，以消除硼磷酸盐玻璃内部的热应力，然后冷却至室温，制得发光玻璃。
实施例二
稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料配重，分别称取玻璃原料和稀土氧化物，玻璃原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 10％，H3BO3 59.9％，CdF2 5％，ZnO 15％，MgO 10％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.1％；
(2)制备玻璃预混料，将配重比好的玻璃原料和稀土氧化物放入研钵中研磨、混和得到玻璃预混料；
(3)制备完全熔融态的玻璃料，将上述玻璃预混料倒入预先清洁过的氧化铝坩埚，置于马弗炉中，以4℃/min的速度升温至1100℃后保温1小时，得到完全熔融态的玻璃料；
(4)制备发光玻璃，将上述完全熔融态的玻璃料浇筑在450℃的铜板上，并在该温度下保持2小时，以消除硼磷酸盐玻璃内部的热应力，然后冷却至室温，制得发光玻璃。
实施例三
稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料配重，分别称取玻璃原料和稀土氧化物，玻璃原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 10％，H3BO3 59.7％，CdF2 5％，ZnO 15％，MgO 10％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.3％；
(2)制备玻璃预混料，将配重比好的玻璃原料和稀土氧化物放入研钵中研磨、混和得到玻璃预混料；
(3)制备完全熔融态的玻璃料，将上述玻璃预混料倒入预先清洁过的氧化铝坩埚，置于马弗炉中，以4℃/min的速度升温至1100℃后保温1小时，得到完全熔融态的玻璃料；
(4)制备发光玻璃，将上述完全熔融态的玻璃料浇筑在450℃的铜板上，并在该温度下保持6小时，以消除硼磷酸盐玻璃内部的热应力，然后冷却至室温，制得发光玻璃。
实施例四
稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料配重，分别称取玻璃原料和稀土氧化物，玻璃原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 10％，H3BO3 59.5％，CdF2 5％，ZnO 15％，MgO 10％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.5％；
(2)制备玻璃预混料，将配重比好的玻璃原料和稀土氧化物放入研钵中研磨、混和得到玻璃预混料；
(3)制备完全熔融态的玻璃料，将上述玻璃预混料倒入预先清洁过的氧化铝坩埚，置于马弗炉中，以4℃/min的速度升温至1100℃后保温1小时，得到完全熔融态的玻璃料；
(4)制备发光玻璃，将上述完全熔融态的玻璃料浇筑在450℃的铜板上，并在该温度下保持6小时，以消除硼磷酸盐玻璃内部的热应力，然后冷却至室温，制得发光玻璃。
实施例五
稀上元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，包括以下步骤：
(1)原料配重，分别称取玻璃原料和稀土氧化物，玻璃原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 10％，H3BO3 59％，CdF2 5％，ZnO 15％，MgO 10％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为1％；
(2)制备玻璃预混料，将配重比好的玻璃原料和稀土氧化物放入研钵中研磨、混和得到玻璃预混料；
(3)制备完全熔融态的玻璃料，将上述玻璃预混料倒入预先清洁过的氧化铝坩埚，置于马弗炉中，以4℃/min的速度升温至1100℃后保温1小时，得到完全熔融态的玻璃料；
(4)制备发光玻璃，将上述完全熔融态的玻璃料浇筑在450℃的铜板上，并在该温度下保持10小时，以消除硼磷酸盐玻璃内部的热应力，然后冷却至室温，制得发光玻璃。
实施例六
稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃的制备方法，包括以下步骤：
(1)原料配重，分别称取玻璃原料和稀土氧化物，玻璃原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O5 10％，H3BO3 58％，CdF2 5％，ZnO 15％，MgO 10％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为2％；
(2)制备玻璃预混料，将配重比好的玻璃原料和稀土氧化物放入研钵中研磨、混和得到玻璃预混料；
(3)制备完全熔融态的玻璃料，将上述玻璃预混料倒入预先清洁过的氧化铝坩埚，置于马弗炉中，以4℃/min的速度升温至1100℃后保温1小时，得到完全熔融态的玻璃料；
(4)制备发光玻璃，将上述完全熔融态的玻璃料浇筑在450℃的铜板上，并在该温度下保持10小时，以消除硼磷酸盐玻璃内部的热应力，然后冷却至室温，制得发光玻璃。
上述实施例中获得的掺杂有0.05％，0.1％，0.3％，0.5％，1％和2％Sm2O3的硼磷酸盐玻璃分别记为0.05SmMCZBP，0.1SmMCZBP，0.3SmMCZBP，0.5SmMCZBP，1SmMCZBP和2SmMCZBP。
如图1所示，所有的硼磷酸盐玻璃在可见光范围内的相同波长位置都有4个峰值，最高峰值出现在597nm和562nm(属于橙红色波长范围)。随着Sm3+离子浓度的增加，受激发Sm3+离子的数量增加，对应发光强度增加，但是过高的Sm3+离子浓度由于集中发光猝灭机制而降低发光强度，该发射在电磁波谱可见区域显示橙红色，与其它玻璃相比具有很大的优势。
如图2所示，从图中可以看出硼磷酸盐玻璃的色度坐标位于橙红色区域，发射颜色在国际发光委员会(CIE)图表(1931)中的色度坐标位于橙红色区域，色温在1670-1718之间，这证实了所制备的硼磷酸盐玻璃在橙红色激光及多色显示中的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，其特征在于：所述发光玻璃的原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O55-15％，H3BO35-60％，CdF21-10％，ZnO10-20％，MgO 5-15％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.05-2％。
2.根据权利1所述的稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，其特征在于：所述发光玻璃的原料由P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO组成，其中P2O55-15％，H3BO35-60％，CdF21-10％，ZnO 10-20％，MgO 5-15％；所述的稀土氧化物为Sm2O3，质量百分比为0.05-2％。将原料P2O5、H3BO3、CdF2、ZnO、MgO和Sm2O3按照目标产物的化学计量比准确称量，然后在玛瑙研钵中研磨使其混合均匀。
3.根据权利2所述的稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，其特征在于，采用熔体淬火法，将所述的玻璃预混料倒入预先清洁过的氧化铝坩埚，置于马弗炉中，以4℃/min的速度升温至1100℃后保温1-4小时，得到完全熔融态的玻璃料。煅烧结束后随炉温自然冷却至室温。
4.根据权利3所述的稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，其特征在于，将所述的完全熔融态的玻璃料浇筑在400-500℃的铜板上，并在该温度下保持1-12小时，以消除硼磷酸盐玻璃内部的热应力，然后冷却至室温，制得稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃。
5.根据权利4所述的稀土元素Sm掺杂的硼磷酸盐发光玻璃及其制备方法，其特征在于，所述玻璃的发光效率、色温及色纯度较好，该发射在橙红色区域，与其它玻璃相比具有很大的优势，在橙红色激光及多色显示应用中有潜在的应用。
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