无容器凝固-热压烧结法制备大尺寸新型氧化物玻璃

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缺乏SiO2、B2O3、P2O5和GeO2等玻璃网络形成体的新型氧化物玻璃由于其特殊的结构组成,从而具有超高折射率等优异的光学性能,在激光、镜头、显像、闪烁发光等领域具有广阔的应用前景。但是这种新型氧化物玻璃的玻璃形成能力低,易析晶且熔点高,无法用传统的熔融冷却法进行制备。无容器凝固技术可以有效抑制由容器壁接触导致的非均匀形核,使熔体达到深过冷状态并实现快速凝固,制备出不含传统网络形成体的新型氧化物玻璃材料。然而,无容器凝固技术得到的样品尺寸极其有限,通常为3-5mm,限制了其发展应用。为了获得大尺寸新型无网络形成体玻璃,本论文采用了非晶粉末烧结的方法。首先通过无容器凝固技术制备出玻璃小球,然后经过破碎研磨得到非晶粉末,在温度动力学窗口ΔT内进行热压烧结,在保持非晶的前提下,实现了非晶粉末的快速致密化,得到了大尺寸新型氧化物玻璃。本论文分别制备了La2O3-TiO2-SiO2、La2O3-TiO2-ZrO2和Al2O3-Y2O3体系大尺寸玻璃,分别用差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、光谱椭偏仪、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见-红外分光光度计和傅里叶红外光谱仪等仪器对样品进行表征,研究了烧结助剂、烧结压力、烧结温度等因素对烧结的影响,并探讨了新型非晶氧化物的热压烧结机理。在La2O3-TiO2中加入了少量的SiO2作为烧结助剂,采用热压烧结制备出无色透明的大尺寸La2O3-TiO2-SiO2玻璃。样品的玻璃形成能力随着SiO2含量的增加而增加,少量的SiO2就可以明显增强样品的玻璃形成能力。烧结得到的样品的透明度也随着SiO2含量的增加而增加,当SiO2含量为15%时,样品的透过率最高,在800nm和近红外波段分别可以达到54%和72%(样品厚度为1mm)。样品的折射率随着SiO2含量的增加有所降低,但是样品依然表现出超高的折射率,SiO2含量为15%时样品折射率nd为2.19。采用热压烧结法制备了完全不含网络形成体的大尺寸La2O3-TiO2-ZrO2玻璃。添加ZrO2有利于增加样品的玻璃形成能力,并且不会降低样品的折射率,样品的折射率nd可以达到2.33。结果表明,适当的烧结温度更有利于得到透明度高的样品,烧结温度过高时样品会析晶,烧结温度过低时样品的致密化较低,在900℃下热压烧结得到的La2O3-TiO2-ZrO2拥有较高的致密度并且保持良好的非晶。另外,适当的增加烧结压力可以有效提高样品的致密度。采用热压烧结法制备了大尺寸Al2O3-Y2O3玻璃基质材料,得到的样品无色透明。最适宜的烧结温度为925℃,烧结压力的增加可以有效增加样品的致密度和透明度。并且进一步通过热处理得到了透明陶瓷材料,析出的晶相主要为YAG相,得到的透明陶瓷样品无色透明。通过样品的烧结曲线研究了La2O3-TiO2-SiO2、La2O3-TiO2-ZrO2和Al2O3-Y2O3新型氧化物非晶的热压烧结机理,非晶粉末在动力学窗口ΔT内的热压烧结机制符合塑性流动机理。
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