磷酸盐激光玻璃表面增强的离子交换方法

摘要

一种磷酸盐激光玻璃表面增强的离子交换方法，包括以下步骤：磷酸盐激光玻璃用4.0mol/L的NaOH溶液中在60℃处理50分钟并用去离子水洗净，在80℃用1.0mol/L氢氟酸缓冲液处理40分钟，常温下用去离子水洗涤并烘干；将配制的NaNO3、KNO3、Ba(NO3)2混合盐和样品放入离子交换器皿中；将所述的离子交换器皿及其样品在马弗炉内320-430℃下，保温12～16小时后，以80～100℃/小时的速率降温至50～100℃；取出样品用1.0mol/L盐酸处理后用去离子水洗涤后烘干。本发明使磷酸盐激光玻璃的机械性能很大提高，大幅提高在氙灯泵浦下的重复频率和热破坏阈值。

说明书

技术领域

本发明涉及磷酸盐激光玻璃，特别是一种磷酸盐激光玻璃表面增强的离子交换方法。

背景技术

磷酸盐玻璃具有声子能量适中、对稀土离子溶解度高、非线性系数小等优良性质使其成为使用最广的激光玻璃介质。磷酸盐激光玻璃的应用领域涵盖了激光聚变、激光武器、激光测距、光通信波导放大器、超短脉冲激光器应用。

高重复频率、高平均功率激光器对激光玻璃在高强度光泵浦条件下的抗热冲击能力要求越来越高。但磷酸盐玻璃是典型的脆性材料、膨胀系数大且化学稳定性较差，表面和亚表面存在加工引起的缺陷，造成在外力、介质以及热环境作用下不稳定极易发生裂纹扩展，所以表面缺陷尤其是微裂纹的影响使磷酸盐激光玻璃在高强度光泵浦条件下的抗热冲击能力较低，限制了磷酸盐激光玻璃的应用。

利用化学方法在玻璃表面预制压应力层从而改善玻璃机械性能的方法称为化学增强法，又称离子交换增强法。离子交换增强是玻璃表面增强的一种，其原理是根据离子扩散的机理来改变玻璃表面组成，在一定温度下把玻璃浸入到高温熔盐中，玻璃中的碱金属离子与熔盐中的碱金属离子因扩散而发生相互交换，熔盐中半径大的离子交换出玻璃表面半径小的离子，使玻璃表面产生“挤塞”现象，在玻璃表面产生压应力，从而提高玻璃的强度。

一般的离子交换多用Na⁺交换玻璃表面的Li⁺，K⁺交换玻璃表面的Na⁺，即半径大的离子交换半径小的离子，产生压应力，使玻璃得强度得到提高。但交换后表面无法得到有效修复，玻璃的化学稳定性会相对降低。

发明内容

本发明提供了一种磷酸盐激光玻璃表面增强的离子交换方法，该方法能使磷酸盐激光玻璃的抗折强度、显微硬度、脆裂温度得到很大提高，因此能大幅提高磷酸盐激光玻璃在氙灯泵浦下的重复频率和热破坏阈值。并且使表面得到修复。能广泛的应用于磷酸盐激光玻璃的表面增强。

本发明的技术解决方案如下：

一种磷酸盐激光玻璃表面增强的离子交换方法，特点在于包括以下步骤：

第一步：待处理的磷酸盐激光玻璃，以下简称样品，用4.0mol/L的NaOH溶液中在60℃处理50分钟并用去离子水洗净，之后在80℃用1.0mol/L氢氟酸缓冲液处理40分钟，最后在常温下用去离子水洗涤并烘干；

第二步：将配制的NaNO₃、KNO₃、Ba(NO₃)₂混合盐放入离子交换器皿，然后将第一步处理后的样品放入所述的离子交换器皿中；

第三步：将所述的离子交换器皿及其样品在马弗炉内320-430oC下，保温12～16小时后，以80-100℃/小时的速率降温至50～100℃；

第四步：取出样品用1.0mol/L盐酸处理后用去离子水洗涤后烘干。

所述的NaNO₃、KNO₃、Ba(NO₃)₂混合盐的组成和重量百分比如下：

组成        wt％

NaNO₃       10～30

KNO₃        20～40

Ba(NO₃)₂    40～70

本发明的优点在于：

1、本发明半径大的钾离子和钡离子都能进入玻璃表面形成压应力层，压应力层能阻止玻璃表面微裂纹的扩张。

2、本发明离子交换温度较高，钾离子和钡离子交换深度比较深，形成的压应力层比较厚，能较大提高玻璃的机械强度。

3、本发明钡离子在高温下能够与磷酸盐玻璃表面不饱和键结合，起到对表面键的修复作用从而改善表面的物理性能

本发明处理后的磷酸盐激光玻璃能形成较厚较好压应力层，使其具有更高的显微硬度、抗折强度、脆裂温度，因此能大幅度提高磷酸盐激光玻璃在氙灯泵浦下的重复频率和热破坏阈值。

附图说明

图1是本发明方法处理后磷酸盐激光玻璃的钠离子交换后表面深度分布图：

图2是本发明方法处理后磷酸盐激光玻璃的钾离子交换后表面深度分布图

图3是本发明方法处理后磷酸盐激光玻璃的钡离子交换后表面深度分布图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

第一实施例：

本实施例磷酸盐激光玻璃表面增强的离子交换方法包括以下步骤：

第一步：样品用4.0mol/LNaOH在60℃处理50分钟并用去离子水洗净，之后在80℃用1.0mol/L氢氟酸缓冲液处理样品40分钟，最后在常温用去离子水洗涤样品并烘干。

第二步：将第一步处理后样品放入装有按所给比例配制的混合硝酸盐的离子交换器皿中。

第三步：离子交换器皿及其样品在马弗炉内430oC下保温14小时后以100℃/小时的速率降温至100℃。

第四步：取出样品用1.0mol/L盐酸处理后用去离子水洗涤烘干。

所述的混合硝酸盐的组成如下：

组成            wt％

NaNO3           10％

KNO3            20％

Ba(NO3)2        70％

第二实施例：

所述的混合硝酸盐的组成如下：

组成             wt％

NaNO3            20％

KNO3             20％

Ba(NO3)2         60％

磷酸盐激光玻璃表面增强的离子交换方法包括以下步骤：

第一步：

样品用4.0mol/LNaOH在60℃处理50分钟并用去离子水洗净，之后在80℃用1.0mol/L氢氟酸缓冲液处理样品40分钟，最后在常温用去离子水洗涤样品并烘干。

第二步：将第一步处理后样品放入装有按所给比例配制的混合硝酸盐的离子交换器皿中。

第三步：在马弗炉内420oC下保温13小时后以90℃/小时的速率降温至100℃。

第四步：取出样品用1.0mol/L盐酸处理后用去离子水洗涤烘干。

第三实施例：

所述的混合硝酸盐的组成如下：

组成                  wt％

NaNO3                 30％

KNO3                  30％

Ba(NO3)2              40％

磷酸盐激光玻璃表面增强的离子交换方法包括以下步骤：

第一步：

样品用4.0mol/LNaOH在60℃处理50分钟并用去离子水洗净，之后在80℃用1.0mol/L氢氟酸缓冲液处理样品40分钟，最后在常温用去离子水洗涤样品并烘干。

第二步：将第一步处理后样品放入装有按所给比例配制的混合硝酸盐的离子交换器皿中。

第三步：在马弗炉内410oC下保温16小时后以80℃/小时的速率降温至90℃。

第四步：取出样品用1.0mol/L盐酸处理后用去离子水洗涤烘干。

第四实施例：

所述的混合硝酸盐的组成如下：

组成                  wt％

NaNO3                 25％

KNO3                  35％

Ba(NO3)2              40％

本实施例磷酸盐激光玻璃表面增强的离子交换方法包括以下步骤：

第一步：

样品用4.0mol/LNaOH在60℃处理50分钟并用去离子水洗净，之后在80℃用1.0mol/L氢氟酸缓冲液处理样品40分钟，最后在常温用去离子水洗涤样品并烘干。

第二步：将第一步处理后样品放入装有按所给比例配制的混合硝酸盐的离子交换器皿中。

第三步：在马弗炉内415oC下保温14小时后以80℃/小时的速率降温至80℃。

第四步：取出样品用1.0mol/L盐酸处理后用去离子水洗涤烘干。

对经本发明方法处理的磷酸盐激光玻璃表面增强进行了测试，图1是本发明方法处理后磷酸盐激光玻璃的钠离子交换后表面深度分布图，图2是本发明方法处理后磷酸盐激光玻璃的钾离子交换后表面深度分布图，图3是本发明方法处理后磷酸盐激光玻璃的钡离子交换后表面深度分布图。

下面表1～3给出了本发明处理后相对于其他方法处理后磷酸盐激光玻璃的机械强度和抗热冲击性能的比较。

表1：本发明处理后和其他表面处理方式处理后脆裂温度对比

表2：本发明处理后和其他表面处理方式处理后抗折强度对比

  样品(NAP4)  抗折强度(Mpa)  303砂细磨样1  84  303砂细磨样2  81  本发明处理样1  168  本发明处理样2  185  本发明处理样3  198  303砂细磨后一价混合离子交换样1  158  303砂细磨后一价混合离子交换样2  157  303砂细磨后一价混合离子交换样3  136

表3：本发明处理后和其他表面处理方式处理后显微硬度对比