GSO体系高结晶度透明微晶玻璃的研究

摘要

根据钠钙硅体系高结晶度透明微晶玻璃制备成功的理论及工艺方法，本课题尝试制取析出目标晶相与Gd2SiO5(GSO)相同或相近的GSO体系高结晶度透明微晶玻璃。本论文研究了GSO系高结晶度透明微晶玻璃的基础玻璃的制备技术，结构及其表征，同时探索了较佳配方基础玻璃的失透及晶化行为，为成功制取GSO系高结晶度透明微晶玻璃奠定了基础。
　　采用传统的熔体冷却法对设计的基础玻璃配方进行熔制，确定了较佳主体配方:38Gd2O3-38SiO2-22B2O3-2Li2O(mol％)，外加1wt％Sb2O3和1wt％ CeCl3.7H2O。利用透射电子显微镜(TEM)、红外光谱(IR)、拉曼光谱(Raman)等分析手段对较佳配方所属的xGd2O3-xSiO2-(1-2x)B2O3(x=27.5，30，32.5，35，37.5mol％)系玻璃的结构进行了研究。结果表明:x[Gd2O3-SiO2]-(100-2x)B2O3(x=27.5，30，32.5，35，37.5mol％)系玻璃是由不混溶的纳米级富硅相和富硼相所组成，玻璃中存在纳米级晶相，在高Gd2O3含量时，晶相为Gd4.67(SiO4)3O，而高B2O3含量时，晶相为GdBO3。玻璃晶化后，随着Gd2O3含量的增加，析出主晶相由GdBO3转变为Gd4.67(SiO4)3O。钆溶于富硼相中形成钆的偏硼酸结构，剩余钆溶于富硅相中破坏硅氧网络结构，产生非桥氧键(NBO)，形成Q2和Q3基团。同时，钆离子团簇优先形成于富硼相中，当Gd2O3含量高(x≥37.5％)时，富硅相中才出现钆离子团簇。当x=32.5mol％时，玻璃中的NBO含量达到最大值，此时，玻璃网络结构致密度最低，与堆积密度的测试结果一致。
　　利用差热分析(DSC)和热膨胀曲线分析确定了较佳配方基础玻璃的核化晶化温度制度。通过X射线衍射(XRD)分析、扫描电子显微镜(SEM)及能谱(EDS)分析等方法对基础玻璃在热处理后的失透及析晶行为进行了研究。结果表明:阶梯温度制度在阻止玻璃失透，扩大玻璃的相对稳定区方面明显优于等温温度制度;在840℃核化600min后，有利于基础玻璃在较低温度下析晶，且可阻止基础玻璃的失透;基础玻璃经热处理后析出主晶相均为雪花状或针枝状磷灰石结构钆硅酸盐团簇，化学式为Gd4.67(SiO4)3O，其它元素如B、Ce、Sb等能固溶进主晶相，团簇分布极不均匀;基础玻璃经热处理后的失透行为既与玻璃的宏观分相有关，又与晶相的析出形貌及分布有关。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及其意义

1．2 微晶玻璃概述

1．2．1 微晶玻璃的概念

1．2．2 微晶玻璃的分类

1．2．3 微晶玻璃的制备方法

1．2．4 微晶玻璃制备的热力学过程

1．2．5 微晶玻璃的热处理制度

1．3 透明微晶玻璃综述

1．3．1 微晶玻璃的光学透明原理

1．3．2 透明微晶玻璃的应用

1．4 稀土离子掺杂发光材料

1．4．1 稀土元素综述

1．4．2 稀土离子的发光理论

1．4．3 影响稀土离子发光的因素

1．4．4 发光材料的性能参数

1．5 Ce：Gd2SiO5闪烁单晶概述

1．6 本工作的研究内容和目标

第二章 实验过程

2．1 基础玻璃制备

2．1．1 基础玻璃的组成设计

2．1．2 基础玻璃的熔制

2．1．3 较佳配方基础玻璃结构研究

2．1．4 微晶玻璃的制备

2．2 基础玻璃及微晶玻璃的结构与性能表征

2．2．1 红外光谱(IR)测试

2．2．2 拉曼光谱(Raman)测试

2．2．3 透射电子显微镜(TEM)分析和选区电子衍射(SAED)分析

2．2．4 示差扫描量热法(DSC)分析

2．2．5 热膨胀系数曲线分析

2．2．6 密度的测试

2．2．7 X射线衍射(XRD)分析

2．2．8 扫描电子显微镜(SEM)测试

第三章 GSO体系高结晶度透明微晶玻璃基础玻璃的制备及结构探索

3．1 基础玻璃较佳配方的探索

3．2 较佳配方基础玻璃结构的探索

3．2．1 x[Gd2O3-SiO2]-(100-2x)B2O3系玻璃的形成范围与TEM分析

3．2．2 玻璃的密度、摩尔体积和堆积密度分析

3．2．3 玻璃的示差扫描量热(DSC)法分析

3．2．4 红外光谱(IR)分析

3．2．5 拉曼光谱(Raman)分析

3．3 本章小结

第四章 较佳配方基础玻璃核化晶化热处理制度的探索

4．1 较佳配方基础玻璃的晶化与失透行为

4．1．1 DSC和热膨胀曲线分析及热处理制度的制定

4．1．2 热处理后较佳配方基础玻璃的失透情况

4．1．3 热处理后较佳配方基础玻璃的析晶情况

4．1．4 较佳配方基础玻璃及其核化晶化试样的红外吸收光谱(IR)分析

4．1．5 较佳配方基础玻璃及其核化晶化试样的SEM和EDS分析

4．2 讨论

4．2．1 微晶玻璃的透明光学原理及较佳配方基础玻璃的结构

4．2．2 较佳配方基础玻璃在热处理时的失透与析晶行为

4．3 本章小结

4．4 后续研究

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果