稀土掺杂ZnO-Al2O3-SiO2系透明玻璃陶瓷的制备与表征

论文摘要

本文综述了玻璃陶瓷的产生与发展过程。概述了玻璃陶瓷的组成、结构、合成方法、应用以及ZnO-Al2O3-SiO2（ZAS）透明玻璃陶瓷的发展前景。采用熔融和晶化技术制备出以TiO2为晶核剂的ZnO-Al2O3-SiO2（ZAS）系透明玻璃陶瓷。根据差热分析结果制定玻璃的晶化热处理制度,基于X-ray衍射（XRD）分析结果确定了晶相组成和结构。析晶性能良好的ZAS系玻璃在670℃核化,740～810℃晶化,可获得主晶相为ZnAl2O4,次晶相为Zn2SiO4、SiO2的锌铝硅透明玻璃陶瓷。组成的微小变化对晶相影响不明显。采用扫描电子显微镜（SEM）分析了样品的显微结构,采用X射线能量散射仪（EDX）对样品中的元素作了定性的分析。采用分光光度计测定ZAS玻璃陶瓷的光透过率,讨论了晶化热处理制度对光透过率的影响。采用熔融和晶化技术制备出以TiO2为晶核剂,掺杂Nd2O3的ZnO-Al2O3-SiO2（ZAS）系透明玻璃陶瓷。根据差热分析结果制定玻璃的晶化热处理制度,基于XRD分析结果确定了晶相组成和结构,讨论了热处理制度对晶相结构的影响。析晶性能良好的ZAS系玻璃在660℃核化,740～880℃晶化,可获得主晶相为立方锌尖晶石ZnAl2O4,次晶相为四面体β-SiO2的锌铝硅透明玻璃陶瓷。热处理温度在1050℃以下的玻璃陶瓷中,主晶相只有唯一的立方锌尖晶石ZnAl2O4晶相析出。热处理温度在1050℃时,主晶相中四面体β—石英晶相开始析出,锌尖晶石变成次晶相,并且次晶相中有Zn2SiO4析出。由XRD结果计算出立方锌尖晶石晶体的晶格参数为α=0.8087nm（±0.0012）。采用分光光度计测定ZAS玻璃陶瓷的光透过率,讨论了晶化热处理制度对光透过率的影响。场发射-环境扫描电子显微镜（SEM）分析了样品的显微结构。采用X射线能量散射仪（EDX）对样品中的元素作了定性的分析。采用了傅立叶红外光谱仪（FT-IR）分析了样品的基团振动。测量了基质玻璃和不同热处理制度下样品的荧光光谱,探讨了晶相组成、结构对钕离子发光性能的影响。钕离子发光光谱与晶相组成和晶粒大小密切相关。中心波长位于885nm、1064nm和1337nm处的三个发光谱带分别对应于钕离子的4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2跃迁。并且对采用同一晶核剂,未掺杂稀土的样品1-1#和掺杂稀土的样品2-2#进行了光透过率的比较,发现掺入的Nd3+离子降低了玻璃陶瓷的光透过率。采用熔融和晶化技术制备出以TiO2为晶核剂,掺杂NdF3的ZnO-Al2O3-SiO2（ZAS）系透明玻璃陶瓷。根据差热分析结果制定玻璃的晶化热处理制度,基于XRD分析结果确定了晶相组成和结构,讨论了热处理制度对晶相结构的影响。析晶性能良好的ZAS玻璃在670℃,1h核化,730℃,1h晶化,可分别获得主晶相为立方锌尖晶石ZnAl2O4,次晶相为四面体β-SiO2、Zn2SiO4的锌铝硅透明玻璃陶瓷。当提高核化时间和晶化时间后,ZnF2开始析出。当晶化温度提高到1040℃时主晶相只有唯一的四面体β-SiO2析出,ZnAl2O4变为次晶相的玻璃陶瓷。采用X射线能量散射仪（EDX）对样品中的元素作了定性的分析。采用X射线光电子能谱（XPS）研究了玻璃陶瓷的近程结构。测量了基质玻璃和不同热处理制度下样品的荧光光谱。中心波长位于881nm、1063nm和1334nm处的三个发光谱带分别对应于钕离子的4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2跃迁。样品的受激发射截面比基质玻璃提高了。钕离子富集在具有降低声子能量的ZnF2晶相中。并且对采用同一晶核剂,掺杂Nd2O3的样品2-2#和掺杂NdF3的样品3-3#进行了光透过率和荧光光谱的比较,发现掺入的NdF3的样品3-3#因为增加了ZnF2次晶相降低了玻璃陶瓷的光透过率;但是提高了样品的发光强度。采用熔融和晶化技术制备出以CaF2为晶核剂,掺杂NdF3的ZnO-Al2O3-SiO2（ZAS）系透明玻璃陶瓷。根据差热分析结果制定玻璃的晶化热处理制度,基于XRD分析结果确定了晶相组成和结构,讨论了热处理制度对晶相结构的影响。ZAS基质玻璃在670℃核化,740℃-800℃晶化,可分别获得SiO2为主晶相,Zn2SiO4、CaF2为次晶相的玻璃陶瓷样品;SiO2为主晶相,Zn2SiO4、ZnAl2O4、CaF2为次晶相的锌铝硅透明玻璃陶瓷样品。采用X射线能量散射仪（EDX）对样品中的元素作了定性的分析。采用X射线光电子能谱（XPS）研究了玻璃陶瓷的近程结构。测量了基质玻璃和不同热处理制度下样品的荧光光谱。中心波长位于896nm、1064nm和1329nm处的三个发光谱带分别对应于钕离子的4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2跃迁。样品的受激发射截面比基质玻璃提高了。钕离子富集在具有降低声子能量的CaF2晶相中。并且对采用不同晶核剂,掺杂NdF3的样品3-3#和4-4#进行了光透过率和荧光光谱的比较,发现晶核剂为CaF2的样品光透过率和发光强度提高。用自动图像分析技术后获得了掺杂NdF3以CaF2为晶核剂的ZnO-Al2O3-SiO2（ZAS）系透明玻璃陶瓷样品的显微结构参数,运用体视学的原理和方法研究了掺杂NdF3以CaF2为晶核剂的ZnO-Al2O3-SiO2（ZAS）系透明玻璃陶瓷的显微结构,探究了显微结构与光学性能的关系。光透过率随着晶粒三维球相当径和单位体积内晶粒平均比表面积的增加而降低;光透过率随着晶粒三维平均自由距离的增加和单个晶粒的平均比表面积的增加而增加。对掺杂NdF3以CaF2为晶核剂的ZnO-Al2O3-SiO2（ZAS）系透明玻璃陶瓷的显微结构进行了分形描述,证明了掺杂NdF3以CaF2为晶核剂的ZnO-Al2O3-SiO2（ZAS）系透明玻璃陶瓷具有分形特征。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 引言

1.2 玻璃陶瓷

1.2.1 玻璃陶瓷概述

1.2.2 玻璃陶瓷的种类

1.2.3 玻璃陶瓷的显微结构

1.2.4 玻璃陶瓷的性质

1.2.5 玻璃陶瓷的应用

1.3 透明玻璃陶瓷

1.4 透明玻璃陶瓷的发展前景

2O₃-SiO₂系玻璃陶瓷的发展'>1.5 ZnO-Al₂O₃-SiO₂系玻璃陶瓷的发展

1.6 本文研究的目的及主要研究内容

第二章实验过程及理论分析

2.1 玻璃陶瓷的合成方法

2.2 玻璃陶瓷组成设计

2.3 玻璃陶瓷的核化和晶化过程

2.4 体视学理论在玻璃陶瓷显微结构中的应用

2.5 分形学理论在玻璃陶瓷显微结构中的应用

2.6 实验仪器及设备

2.7 实验药品

2.8 实验的内容

2.9 样品的测试及表征

2为晶核剂的ZnO-Al₂O₃-SiO₂系透明玻璃陶瓷'>第三章 TiO₂为晶核剂的ZnO-Al₂O₃-SiO₂系透明玻璃陶瓷

3.1 样品组成

3.2 样品的制备

3.3 结果与讨论

3.3.1.样品的差热分析（DTA）

3.3.2 X-射线衍射分析（XRD）

3.3.3 样品的场发射-环境扫描电子显微镜（FEG-ESEM）分析

3.3.4 样品的X射线能谱分析（EDX）

3.3.5 样品的光透过率曲线

3.4 本章小结

2O₃的ZnO-Al₂O₃-SiO₂系透明玻璃陶瓷'>第四章掺杂Nd₂O₃的ZnO-Al₂O₃-SiO₂系透明玻璃陶瓷

4.1 样品组成

4.2 样品的制备

4.3 结果与讨论

4.3.1 样品差热分析（DTA）

4.3.2 X-射线衍射分析（XRD）

4.3.3 样品的扫描电镜分析（FEG-ESEM）

4.3.4 样品的EDX分析

4.3.5 样品的光透过率分析

4.3.6 样品的荧光光谱分析

4.3.7 样品的傅立叶红外吸收光谱分析（FT—IR）

4.3.8 样品1-1#与样品2-2#的光透过率比较

4.4 本章小结

3的ZnO-Al₂O₃-SiO₂系透明玻璃陶瓷'>第五章掺杂NdF₃的ZnO-Al₂O₃-SiO₂系透明玻璃陶瓷

5.1 样品组成

5.2 样品的制备

5.3 结果与讨论

5.3.1 样品的DTA结果分析

5.3.2 样品的X-射线衍射结果分析

5.3.3 样品的扫描电镜结果分析（FEG-ESEM）

5.3.4 样品的X射线能谱分析（EDX）

5.3.5 样品的X射线光电子能谱（XPS）分析

5.3.6 样品的光透过率分析

5.3.7 样品的荧光光谱分析

5.3.8 样品的傅立叶红外吸收光谱分析（FT-IR）

2O₃和掺杂NdF₃的样品2-2#与样品3-3#的光透过率比较'>5.3.9 掺杂Nd₂O₃和掺杂NdF₃的样品2-2#与样品3-3#的光透过率比较

2O₃和掺杂NdF₃的样品2-2#与样品3-3#的荧光光谱比较'>5.3.10 掺杂Nd₂O₃和掺杂NdF₃的样品2-2#与样品3-3#的荧光光谱比较

5.4 本章小结

2为晶核剂掺杂NdF₃的ZnO-Al₂O₃-SiO₂系透明玻璃陶瓷'>第六章以CaF₂为晶核剂掺杂NdF₃的ZnO-Al₂O₃-SiO₂系透明玻璃陶瓷

6.1 样品的组成

6.2 样品的制备及表征

6.3 结果与讨论

6.3.1 样品的差热分析（DTA）

6.3.2 样品的X-射线衍射分析（XRD）

6.3.3 样品的扫描电镜分析（FEG-ESEM）

6.3.4 样品的X射线能谱分析（EDX）

6.3.5 样品的x射线光电子能谱（XPS）分析

6.3.6 样品的光透过率分析

6.3.7 样品的荧光光谱分析

6.3.8 样品的傅立叶红外吸收光谱分析（FT-IR）

2和CaF₂为晶核剂的样品3-3#与样品4-3#的光透过率的比较'>6.3.9 以TiO₂和CaF₂为晶核剂的样品3-3#与样品4-3#的光透过率的比较

2和CaF₂为晶核剂的样品3-3#与样品4-3#的荧光光谱的比较'>6.3.10 以TiO₂和CaF₂为晶核剂的样品3-3#与样品4-3#的荧光光谱的比较

6.4 本章小结

2为晶核剂掺杂NdF₃的ZAS系透明玻璃陶瓷的显微结构的研究'>第七章以CaF₂为晶核剂掺杂NdF₃的ZAS系透明玻璃陶瓷的显微结构的研究

3以CRF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷的显微结构与光透过率的关系'>7.1 掺杂NdF₃以CRF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷的显微结构与光透过率的关系

3以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷样品的显微结构'>7.1.1 掺杂NdF₃以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷样品的显微结构

3以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷的体视学分析'>7.1.2 掺杂NdF₃以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷的体视学分析

3以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷显微结构的分形描述'>7.2 掺杂NdF₃以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷显微结构的分形描述

3以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷的结构分维数'>7.2.1 掺杂NdF₃以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷的结构分维数

3以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷的结构分形维数与光透过率的关系'>7.2.2 掺杂NdF₃以CaF₂为晶核剂的ZAS系透明玻璃陶瓷的结构分形维数与光透过率的关系

7.3 本章小结

第八章结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

稀土掺杂ZnO-Al2O3-SiO2系透明玻璃陶瓷的制备与表征

论文摘要

论文目录

相关论文文献

猜你喜欢