悬浮熔炼法制备新型功能玻璃
发布时间:2020-11-16 05:43
玻璃材料的性能取决于玻璃的组成和结构,具有特殊组成和独特结构的玻璃,往往会具有独特的光学、热学以及力学方面的性能,尤其是那些不含有传统玻璃网络形成体的玻璃。这就使得这些特种功能玻璃在很多领域具有重要应用价值和前景,比如激光增益材料、光学存储材料、特种光纤材料等等。然而,由于一般这类玻璃的玻璃形成能力极弱,通过传统的熔体冷却方法很难制备得到这些玻璃,在研究和应用领域都非常受限。通过悬浮熔炼的方法,可以让多种无机材料或者金属材料的熔体实现深度过冷,因此可以用于将那些玻璃形成能力弱的材料实现块体玻璃化,这在研究和应用领域都开拓了新的思路。由于在悬浮熔炼过程中,熔体不会与任何容器发生接触,也就不存在沾污和异质形核现象,这对于研究玻璃本质问题和现象提供了极佳的条件。本文基于此项技术,研究了新型功能玻璃的制备、性能和应用。(1)稀土掺杂碱土金属铝酸盐玻璃我们研究了 Eu2+掺杂铝酸盐玻璃荧光与结构性能研究。我们选择碱土金属铝酸盐晶体材料和相同成分的玻璃作为研究对象,比较了不同结构基质(晶态和非晶态)对材料荧光和结构性能的影响。观察铝酸钡玻璃和玻璃陶瓷中铕元素的价态控制,我们发现,在氧化性气氛下还原Eu3+→Eu2+,需要满足Eu2+稳定存在的成分要求和结构条件(具有严格的三维封闭结构的晶体环境)。而玻璃材料由于网络结构中存在很多不严格不规则的排列,因此不适合在氧化性气氛下保持Eu2+稳定存在。观察Eu2+掺杂碱土金属铝酸盐(CaAl2O4和(CaSr)0.5Al2O4)晶体材料和玻璃材料的长余辉性能。我们发现晶态材料和玻璃材料中都能观察Eu2+的特征荧光,但是晶体材料可以表现出明显的长余辉荧光,而玻璃材料则完全观察不到长余辉。我们研究了长余辉的机理,并从结构角度分析,认为玻璃中无法观察到明显长余辉现象的原因,是存在大量缺陷的能级。(2)铒掺杂镓铝酸盐玻璃我们制备一系列透明的不同Er掺杂浓度的镓铝酸钙玻璃(44CaO-56Al2O3、44CaO-28Ga2O3-28Al2O3和44CaO-56Ga2O3),研究了玻璃形成能力和热稳定性,分析了玻璃结构,发现Al和Ga元素在玻璃网络结构中,都处于四面体配位环境,在缺少传统玻璃形网络成体离子的情况下,Al和Ga起到了网络形成体的作用。Al的存在会有助于提升Er的上转换荧光的猝灭浓度,但同时会降低近红外荧光的猝灭浓度。同时,Ga的引入会降低荧光寿命,这是由于大原子量元素Ga会使得玻璃的密度和折射率增加,导致Er离子的辐射跃迁速率增加。(3)氮掺杂铝酸钽玻璃我们制备了成分为46Ta205-(54-x)Al2O3-x(2AlN)的氮掺杂的铝酸钽玻璃,这是首次利用悬浮熔炼技术对玻璃进行氮掺杂。氮元素取代部分氧进入玻璃结构中,形成的Al-N键的共价键特性强于Al-O键,并且由于N原子的三配位特性(O原子为二配位),玻璃结构的交联会变得更加紧密,因此玻璃的折射率、密度、硬度、弹性模量都会增加,但玻璃形成能力会减弱。(4)铋掺杂石英玻璃我们制备了 SiO2:Bi、98SiO2-2Al2O3:Bi 和 96SiO2-2Al2O3-2GeO2:Bi 玻璃,这是首次利用悬浮熔炼方法制备Bi掺杂石英玻璃的尝试。制得的玻璃形成性能较好,并且可以实现高浓度的Bi掺杂,最大浓度达到5%,Bi掺杂浓度越高,会有更高比例的BiG存在于玻璃中。在SiO2:Bi玻璃中,荧光猝灭浓度在3%之上。Al2O3的加入会增加原料的热导率,而GeO2的加入可以提升荧光性能,还可以降低玻璃熔点。分析Bi掺杂玻璃的近红外荧光机理,我们认为SiO2:Bi玻璃中的近红外发光中心为 Bi+和 Bi0,98SiO2-2A12O3:Bi 和 96SiO2-2Al2O3-2GeO2:Bi 玻璃中的近红外发光中心为两种不同化学环境的Bi+,并推导出了近红外发光中心的能级分布。
【学位单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位年份】:2018
【中图分类】:TQ171.6
【部分图文】:
现材料坡璃化所需的最小冷却速度,即被称作为临界冷却速度(Rc)。对于不同??的材料成分,可以通过TTT?(时间-转变-温度,time-transformation-temperature)??图[1],来判断所需要的临界冷却速度,如图1.1所示。图1.1中,Rcl表示熔体??需要极端高的冷却速度才能防止材料晶化,而Rc2表示液相只需要一个相对温和??的冷却速度就可以玻璃化。对于一些材料,含有较强的坡璃形成体成分(如Si02??等),其液相具有极强的玻璃形成能力,Rc比较小,就如同图1.1中的Rc2,冷??却条件容易实现。相对的,对于那些脆性的液相[2],即成分中所含有的坡璃形成??体较少,液相玻璃化所需要的冷却速度要求高,Rc难以达到,就如同图U中的??Rcl。脆性液相的玻璃化长久以来都是坡璃研究领域的挑战,这类液相即使是在??过冷状态下依然具有较低粘度,液相中存在任何的形核中心都极有可能致晶化??的发生
?第一章悬浮熔炼法制备新型功能玻璃研宄进展术的进步,研究人员不断优化气流控制,并且选择成分合适的样品,样品尺全可以超过5mm。此外,Weber等人[15,?161在此技术的基础上,直接从高温波熔体中拉制了光纤,这也进一步开拓了气悬浮技术的应用。??
???R4%???????I????Lr^???Stepper?.?L ̄?:?????|??Slcr?_?Computer?」??.5悬浮熔炼方法拉制光纤原理示意图与YAG组分坡璃光纤样1.5?Diagram?of?the?apparatus?used?to?make?fibres?from?levitated?drooled?molten?oxides?and?Photograph?of?glass?fibres?pulled?from?undemolten?YAG-composition?materials.?[15]??■’?<?..
【参考文献】
本文编号:2885685
【学位单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位年份】:2018
【中图分类】:TQ171.6
【部分图文】:
现材料坡璃化所需的最小冷却速度,即被称作为临界冷却速度(Rc)。对于不同??的材料成分,可以通过TTT?(时间-转变-温度,time-transformation-temperature)??图[1],来判断所需要的临界冷却速度,如图1.1所示。图1.1中,Rcl表示熔体??需要极端高的冷却速度才能防止材料晶化,而Rc2表示液相只需要一个相对温和??的冷却速度就可以玻璃化。对于一些材料,含有较强的坡璃形成体成分(如Si02??等),其液相具有极强的玻璃形成能力,Rc比较小,就如同图1.1中的Rc2,冷??却条件容易实现。相对的,对于那些脆性的液相[2],即成分中所含有的坡璃形成??体较少,液相玻璃化所需要的冷却速度要求高,Rc难以达到,就如同图U中的??Rcl。脆性液相的玻璃化长久以来都是坡璃研究领域的挑战,这类液相即使是在??过冷状态下依然具有较低粘度,液相中存在任何的形核中心都极有可能致晶化??的发生
?第一章悬浮熔炼法制备新型功能玻璃研宄进展术的进步,研究人员不断优化气流控制,并且选择成分合适的样品,样品尺全可以超过5mm。此外,Weber等人[15,?161在此技术的基础上,直接从高温波熔体中拉制了光纤,这也进一步开拓了气悬浮技术的应用。??
???R4%???????I????Lr^???Stepper?.?L ̄?:?????|??Slcr?_?Computer?」??.5悬浮熔炼方法拉制光纤原理示意图与YAG组分坡璃光纤样1.5?Diagram?of?the?apparatus?used?to?make?fibres?from?levitated?drooled?molten?oxides?and?Photograph?of?glass?fibres?pulled?from?undemolten?YAG-composition?materials.?[15]??■’?<?..
【参考文献】
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1 张明辉;余建定;潘秀红;程愉悻;刘岩;;Nd~(3+)/Yb~(3+)共掺La_2O_3-TiO_2-ZrO_2微晶玻璃的制备及上转换发光研究(英文)[J];无机材料学报;2013年08期
2 苏锵,曾庆华,裴治武;在空气下制备掺二价稀土的硼酸盐及二价稀土离子(RE~(2+)=Sm,Eu,Tm,Yb)的光谱特征[J];无机化学学报;2000年02期
3 吴祖垲,钱慰宗,姚宗熙;彩色显像管、等离子显示板及荧光灯发光效率的探讨[J];自然杂志;1998年06期
本文编号:2885685
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