微晶玻璃

海南大学2012-2013学年度第2学期《功能材料学》论文

题目：微晶玻璃的光学应用

姓名：

学号： 20100607310014

学院：材料与化工学院

专业班级： 10理科实验班

微晶玻璃的光学应用

刘涛 20100607310014

摘要：微晶玻璃也叫做玻璃陶瓷，是玻璃经过晶化处理得到的部分结晶态的物质，它兼具玻璃和陶瓷的优良性质，比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性强，因而广泛用于建筑、航天等各个领域。中国稀土资源丰富，由于稀土离子特殊的4f电子层结构使其具有许多优越的性能，目前稀土发光材料引起了全世界的广泛关注。微晶玻璃的高透过性和优越的机械性能使其能够做为稀土元素的良好基质，制成的稀土掺杂发光微晶玻璃广泛应用于荧光设备、激光、波导激光、上转换材料等领域，具有重要的现实意义。

关键词：微晶玻璃稀土元素光学应用

一、固体发光过程

发光是物体不经过热阶段而将其内部以某种方式吸收的能量直接转换为非平衡辐射的现象。当物质受到外界能量(如光照、外加电场或电子束轰击等)的激发后，吸收外界能量而处于激发态，它在跃迁返回基态的过程中，吸收的能量会通过光或热的形式释放出来，如果这部分能量以光的电磁波形式辐射出来，即为发光。图1所示即为发光的过程[1]：

图1：发光的过程示意图

激活剂A吸收激发光的能量被激发(EXC)，由基态A变为激发态A*，然后又回到基态(R)，并发出光(EM)[2]。

二、发光材料的应用及稀土掺杂微晶玻璃的优点

发光材料在人们日常生活中有着重要的应用，从照明、显像到医学、放射学等领域，无不存在着发光材料的身影。在发光材料的发展中，稀土掺杂的发光材料格外引人注目，由于稀土离子特殊的4f电子层结构，决定其具有许多优越的性能：物理化学性质稳定、耐高温、可承受大功率电子束、高能辐射和强紫外光的作用；荧光寿命宽泛，可以跨越纳秒到毫秒6个数量级；发光颜色度纯、转换效率高、发射波长分布区域宽等。这些优异的性能使得稀土发光材料广泛应用于荧光设备、激光、波导激光、上转换材料等领域[3]。

稀土掺杂的基质材料一般为晶体，也可以是非晶态玻璃材料，晶体和玻璃作为稀土掺杂发光材料的基质各有优缺点，发光玻璃保证了发光光材料的稳定性，但是与同组成的晶体材料相比，发光玻璃的发光强度弱，转换效率也比较低[4]，而微晶玻璃作为一种晶态和非晶态共存的材料，兼具了晶体发光材料优异的发光性能及玻璃材料的优异特性，其内部晶相能够保持发光晶体材料原有的发光性能，其熔制时的液体状态亦能够保证其均匀性，微晶玻璃亦具有良好的稳定性及可加工性，具有重要的研究价值。

三、微晶玻璃的分类、制备及显微结构

1、微晶玻璃的分类

按照玻璃陶瓷的化学组成来讲，玻璃陶瓷分为四大类：硅酸盐玻璃陶瓷、铝硅酸盐玻璃陶瓷、氟硅酸盐玻璃陶瓷、磷酸盐玻璃陶瓷[12] 。

1.1 硅酸盐玻璃陶瓷

硅酸盐玻璃陶瓷主要是由碱金属和碱土金属两部分组成，主晶相为硅酸盐，晶相可以决定玻璃陶瓷的性能[13]。硅酸盐玻璃陶瓷可分为两种：光敏玻璃陶瓷和

矿渣玻璃陶瓷。光敏玻璃陶瓷是以二硅酸锂(Li

2Si

2

O

5

)为主晶相的，这种晶体是

一种骨架结构[14]，形貌像树枝，因为它的晶体生长方向是沿某些晶面，或者晶格

方向。而矿渣玻璃陶瓷主晶相则为硅灰石(CaSiO

3)和透辉石[Ca Mg(SiO

3

)

2

]。透

辉石因为其结构的特殊性，比硅灰石更加耐磨，耐腐烛，强度也更高。

1.2 铝硅酸盐玻璃陶瓷

铝硅酸盐玻璃陶瓷包括Li

2O—Al

2

O

3

—SiO

2

系统、MgO—Al

2

O

3

—SiO

2

系统、Na

2

O

—Al

2O

3

—SiO

2

系统和ZnO—Al

2

O

3

—SiO

2

系统[15]。上述四种系统是比较常见的铝硅

酸盐玻璃陶瓷系统，应用比较广泛。从这些系统中可以得到膨胀系数低，超细晶粒，较高的机械强度，良好的抗热震性，良好的热稳定性的玻璃陶瓷，应用于各种领域的材料中。

1.3 氟硅酸盐玻璃陶瓷

氟硅酸盐玻璃陶瓷包括两种主晶相类型的玻璃陶瓷。第一种是片状氟金云母型，第二种是链状氟桂酸盐型[16]。链状氟硅酸盐玻璃陶瓷可以析出两种晶相，氟

钾纳钙镁闪石(KNaCaMg

5Si

8

O

22

F

2

)和氟硅碱概石[Na

4

K

2

Ca

5

Si

12

O

30

(0H, F)]。

1.4 磷酸盐玻璃陶瓷

磷酸盐玻璃陶瓷可以从含有氟离子的钙铝磷酸盐玻璃，或者碱镁钙铝硅酸盐玻璃中制取出来[17]，磷酸盐玻璃陶瓷最大的特点是可应用于生物领域，因为其具有生物活性，可以被人植入生物体中。

2、微晶玻璃的制备

微晶玻璃是通过受控晶化的材料，在热处理过程中，玻璃经过晶核形成、晶核生长，最后转变为结构不同于原始玻璃的微晶玻璃。因此，热处理及其工艺是微晶玻璃制备的技术关键。热处理过程一般分为两个阶段进行[5] ：即核化阶段和晶化阶段。核化阶段就是将退火后的玻璃加热至晶核形成温度，并保温一定时间。晶化阶段就是玻璃中出现大量稳定的晶核后再升温到晶体生长温度，使玻璃转变为具有亚微米甚至纳米晶粒尺寸的微晶玻璃，基于此的热处理制度归为阶梯温度制度(图2—a所示)。而等温温度制度（图2—b所示）是在成核速率和结晶速率都较大的温度段对玻璃进行热处理，晶核一旦形成，立即就会在核的周围开始生长晶体的这一次升温晶化制度。