一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃及其制备方法，所述微晶玻璃配方的重量百分比组成为：GeO2 51～65%，Ga2O3 10～20%，SiO2 0～18%，BaO 5～12%，Y2O3 3～12%，ZrO2 2～8%，Na2O 0.5～2%。首先按配方要求将原料混合均匀后以传统熔体冷却法制备锗酸盐基础玻璃，将退火后的基础玻璃加工成合适的规格后进行热处理，在高温热处理的同时在玻璃样品的上下表面之间形成高频电场，调节热处理温度、时间以及高频电场的场强、频率和施加时间，样品冷却后即获得含有纳米晶体均匀分布的高强度透明锗酸盐微晶玻璃。产品在0.3～5.0μm范围内光学透过率大于78%，抗弯强度可达106~125MPa。

High strength transparent germanate glass ceramics and preparation method thereof

The invention relates to a high strength transparent germanate glass glass and its preparation method. The weight percentage of the glass ceramics formula consists of GeO2 51 ~ 65%, Ga2O3 10 ~ 20%, SiO2 0 ~ 18%, BaO 5 ~ 12%, Y2O3 3 12%, ZrO2 8% ~ 8%, Na2O 0.5 0.5 ~ 2%. The germanate base glass is prepared by the traditional melt cooling method. The base glass of the annealed base glass is processed into a suitable specification for heat treatment. High frequency electric field is formed between the upper and lower surfaces of the glass sample at the same time, and the heat treatment temperature, time and high frequency are adjusted at the same time. The field strength, frequency and application time of the electric field are obtained. After cooling the sample, high strength transparent germanate glass ceramics containing uniform distribution of nanocrystals are obtained. The optical transmittance of the products ranges from 0.3 to 5 m and the bending strength can reach 106~125MPa. The optical transmittance is 78%.

【技术实现步骤摘要】
一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃及其制备方法
本专利技术涉及新材料
，尤其涉及一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃及其制备方法，可应用于红外光学窗口及其他红外光学元件等领域。
技术介绍
红外探测技术是当代社会获取信息的重要方式之一，随着现代电子信息的快速发展，对红外探测技术的要求越来越严格。为了获得高清晰的红外成像，必须要求红外窗口材料具有很宽的红外波透过范围和很高的红外透过率，特别是在红外制导及红外对抗等领域要求窗口材料在0.3-5.0μm范围内均具有较高透过率，且要求具有能够耐高温、抗风沙侵蚀、机械性能优良等特点。目前能够满足该条件的材料并不多，常用的材料包括MgF2、ZnS、AlON、MgAl2O4、金刚石及蓝宝石等，其中MgF2在潮湿环境中温度高于500℃时会变得不透明，并且产生表面裂纹；ZnS机械强度低、耐磨性能差，在使用温度大于300℃时会发生氧化现象，大于500℃就会软化；AlON和MgAl2O4制备工艺上不成熟，其光学透过率很难满足要求；蓝宝石加工困难、成本高，且使用温度超过700℃时机械性能显著降低；金刚石不仅成本高昂，且无法制备大尺寸元件，同时高温氧化现象严重。因此严格来说，目前仍然没有一种理想的红外光学窗口用透波材料。锗酸盐玻璃是一种新型的红外透波材料，其在0.3-5.0μm范围内具有很高的光学透过率，且化学稳定性与耐高温性能良好，但其机械性能仍然难以满足实际使用要求，一般锗酸盐玻璃的抗弯强度仅为60MPa左右，而使用工业化应用需要至少100MPa以上，因此如何提高锗酸盐玻璃材料的机械强度是实现其工业化应用的前提。中南大学与景德镇陶瓷大学等通过对锗酸盐玻璃进行热处理使其转变为微晶玻璃，可显著提高其机械强度，然而，在热处理过程中所形成的微细晶粒很容易团聚生长，当微晶尺寸大于50纳米时就会对显著降低对可见光的透过率，从而影响其实际使用性能。如何在热处理过程中确保所形成的微晶不团聚、均匀分散地分布在玻璃基体中，从而在不影响锗酸盐玻璃光学性能的基础上显著提高其机械强度是促进锗酸盐玻璃实用化的关键。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种解决锗酸盐玻璃微晶化热处理过程中微晶的团聚问题，并可以显著提高其机械强度的高强度透明锗酸盐微晶玻璃及其制备方法。为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案是：一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃，其特征在于所述微晶玻璃配方的重量百分比组成为：GeO251～65%，Ga2O310～20%，SiO20～18%，BaO5～12%，Y2O33～12%，ZrO22～8%，Na2O0.5～2%。上述高强度透明锗酸盐微晶玻璃的制备方法，其特征在于：按重量百分比将微晶玻璃原料进行称量、混合均匀后，经融化、退火、微晶化处理获得锗酸盐微晶玻璃。所述融化工序的工艺参数为融化温度为1300～1550℃，融化保温时间为1.0～3.0小时。所述退火工序的工艺参数为退火温度为500～650℃，退火时间为1.0～2.0小时。所述微晶化处理工序的工艺参数为核化温度为650～800℃，核化时间为1.0～2.0小时；晶化温度为900～1100℃，晶化时间为1.0～2.0小时；玻璃样品在晶化过程中施加变频高压电场，电场强度为2000～8000V/cm，频率为50Hz，升温与降温过程中不施加电场。所述微晶化处理工序所用电炉外接高压变频电源，玻璃样品上下表面1cm外分别设置耐高温正负电极片，该电极片分别接高压电源输入线路，电源输出电压为0~50000V可调，可设为50Hz工频输出或直流输出，电场辅助热处理实验腔设抽真空装置，以防止空气中离子在高温电场条件下放电导致击穿电极之间的空气层。本专利技术在现有锗酸盐玻璃配方的基础上对其组成进行适当调整，同时改变热处理工艺条件，创新性的采用电场辅助热处理方式实现锗酸盐玻璃的微晶化，使得锗酸盐玻璃在高温热处理过程中克服析晶活化能的能量来源不仅为高温提供的热能，同时也来自于高压电场的电场能量。由于玻璃在高温热处理过程中，结构中的离子可在一定范围类进行扩散与迁移，而迁移的离子本身是带有电荷的，电荷在电场作用下必然会形成定向运动。当所施加的电场为静电场时，玻璃结构中的正离子将往负极方向定向迁移。而若所施加的电场为高频交变电场，则离子的运动方向受电场的方向影响而可能与其本身扩散的方向相同或相反，如此便可促进或抑制离子的扩散与迁移速率，从而实现对微晶生长过程的实际控制。由于在电场作用下两个带正电的离子之间具有很强的排斥力，难以在高温电场条件下“共进退”，因而可以抑制晶核在形成过程中的团聚，实现晶体的分散生长，从而解决锗酸盐玻璃微晶化热处理过程中微晶的团聚问题，实现在不显著影响锗酸盐玻璃光学性能的前提下显著提高其机械强度。本专利技术具有以下有益效果：(1)采用本专利技术方法制备的锗酸盐微晶玻璃，在可见光区间、近红外和中红外区间均具有很好的光学透过率，在0.3～5.0μm范围内光学透过率大于78%；(2)采用本专利技术方法制备的锗酸盐微晶玻璃，其抗弯强度可达106~125MPa；(3)本专利技术所制备的高强度透明锗酸盐微晶玻璃中的微晶尺寸小于50nm，晶粒在母体玻璃中分散良好，因而对入射光散射作用小，材料的光学透过率得以提高。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本专利技术提出的一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃及其制备方法的具体实施方式、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如下：实施例一：本实施例为一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃及其制备方法，其步骤如下：(1)所述过程中的锗酸盐基础玻璃含有以下重量组分：GeO252%，Ga2O315%，SiO215%，BaO6%，Y2O38%，ZrO23%，Na2O1%。(2)以上成分的锗酸盐基础玻璃的原料准确称量、混合均匀后，于电炉中融化，其融化温度为1450℃，融化保温时间为1.5小时；退火温度为550℃，退火时间为2.0小时。(3)电场辅助热处理的工艺条件为：核化温度为720℃，核化时间为1.0小时；晶化温度为950℃，晶化时间为1.0小时；950℃时在玻璃样品上下表面施加高压交变电场，频率为50Hz，电场强度为5000V/cm，热处理1小时后停止加热、同时停止施加电场。(4)所制备的锗酸盐微晶玻璃，在0.3～5.0μm范围内光学透过率为79%（不含羟基吸收区），抗弯强度为112MPa。实施例二：本实施例为一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃及其制备方法，其步骤如下：(1)所述过程中的锗酸盐基础玻璃含有以下重量组分：GeO260.5%，Ga2O312%，SiO28%，BaO7%，Y2O35%，ZrO26%，Na2O1.5%。(2)以上成分的锗酸盐基础玻璃的原料准确称量、混合均匀后，于电炉中融化，其融化温度为1520℃，融化保温时间为1.0小时；退火温度为570℃，退火时间为1.5小时。(3)电场辅助热处理的工艺条件为：核化温度为750℃，核化时间为1.5小时；晶化温度为990℃，晶化时间为1.5小时；990℃时在玻璃样品上下表面施加高压交变电场，频率为50Hz，电场强度为6500V/cm，热处理1.5小时后停止加热、同时停止施加电场。(4)所制备的锗酸盐微晶玻璃，在0.3～5.0μm范围内光学透过率为81.5%（不含羟基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃，其特征在于所述微晶玻璃配方的重量百分比组成为：GeO2 51～65%，Ga2O3 10～20%，SiO2 0～18%，BaO 5～12%，Y2O3 3～12%，ZrO2 2～8%，Na2O 0.5～2%。

【技术特征摘要】
1.一种高强度透明锗酸盐微晶玻璃，其特征在于所述微晶玻璃配方的重量百分比组成为：GeO251～65%，Ga2O310～20%，SiO20～18%，BaO5～12%，Y2O33～12%，ZrO22～8%，Na2O0.5～2%。2.根据权利要求1所述高强度透明锗酸盐微晶玻璃的制备方法，其特征在于：按重量百分比将微晶玻璃原料进行称量、混合均匀后，经融化、退火、微晶化处理获得锗酸盐微晶玻璃。3.根据权利要求2的制备方法，其特征在于：所述融化工序的工艺参数为融化温度为1300～15...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖卓豪，李秀英，董晓烽，罗文艳，罗民华，汪永清，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：江西,36