无容器凝固法制备高折射率多元氧化物非晶及其性能研究

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随着光学技术的不断发展,作为光学元器件最重要的两个性能指标,人们愈发重视对折射率和透过率的研究。高折射率光学玻璃拥有着颜色透亮,宽视野,体积小等优点,故其在国防建设及国民经济中的应用十分广泛。综合评判一个光学器件,不仅要考量给定波长的折射率值,还需考量可见光范围内折射率的波长色散。光学器件的色散程度越低,视野内看到的物体越清晰。光学器件的色散程度可以用阿贝系数来衡量:阿贝系数越大,表示色散程度越低。然而,折射率一般与阿贝系数成反比。因此,一般光学器件无法同时具备高折射与低色散性能。目前,商用玻璃很少有同时达到高折射与低色散性能。针对上述问题,本研究基于高熵材料中的性能协同理念,开发出系列高熵氧化物非晶。欲使其在具备高折射率的同时,保证较低的色散程度。本研究利用新兴的无容器凝固技术,按等摩尔比成功制备出20LaO3/2-20TiO2-20NbO5/2-20WO3-20ZrO2等比高熵氧化物非晶。其中,无容器凝固法提高了非晶的形成能力,选取的五种氧化物亦对提高玻璃的光学性能表现出一定程度的增益。性能测试结果表明:过冷液相区宽度ΔT=69℃,临界冷却速率为24.9℃/s,从动力学角度判断出该体系的非晶形成能力较为优异;光学性能方面,其透过窗口范围为0.354-7.28 μm。由于高熵“鸡尾酒”效应中的协同作用,该体系兼具高折射率(2.22)与高阿贝系数(61),保证镜片在超薄的情况下也可获得足够的清晰度。上述结果表明,该体系在光学玻璃中具有十分广阔的应用前景。为进一步探究协同效果与高熵组元成分占比之间的关系,本研究基于25LaO3/2-25TiO2-25NbO5/2-25WO3四元非高熵非晶体系,按离子半径比大小顺序,利用ZrO2依次替代La2O3,WO3,TiO2与Nb2O5,进而生成了四种非等比高熵氧化物玻璃体系:La系、W系、Ti系与Nb系。针对每种体系,进行了相同的性能表征手段,其中,光学性能表现最为突出的是W系x=5体系,该体系同时具备最高的折射率(2.53)与最高的可见透过率(84%),表明其在光学元器件应用领域中有着很大的优势。此外,本研究中由La2O3,TiO2,Nb2O5,WO3与ZrO2组分制备出的所有非晶,折射率均大于2,属于高折射率体系。由此可知,上述组分对玻璃光学性能的增益均十分显著,可为日后光学玻璃选材方面的研究提供一定的参考。
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