專利名稱：表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻璃及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光釹玻璃，特別是一種表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻璃及其 制備方法，該玻璃具有較高的耐熱沖擊性，適中的受激發(fā)射截面和較高的熒光壽命。該玻璃 可通過表面離子改性增強，大幅度提高其耐熱沖擊性能。該激光玻璃可用做高平均功率固 體激光系統(tǒng)中的增益放大材料。
背景技術(shù)：
隨著激光聚變能源應(yīng)用的發(fā)展，用于熱核反應(yīng)發(fā)電站的具有一定重復(fù)頻率的激光 驅(qū)動器裝置開始進入各國的研究視野。由于重復(fù)頻率的要求，新的激光系統(tǒng)對激光增益介 質(zhì)的熱機械性能指標有了更高的要求。而熱機械性能指標可表示為
Dk(l-v)RS = °"maxMs = ^max-
aE(1)其中Omax為玻璃的表面最大抗張強度，與玻璃的表面狀態(tài)有關(guān)，Ms為玻璃的本征 屬性，主要取決于其熱導(dǎo)率k，泊松比V，熱膨脹系數(shù)α和彈性模量Ε。所以，耐熱沖擊性激 光材料，應(yīng)具有較低的熱膨脹系數(shù)和較高的熱導(dǎo)率及大的抗張強度。目前，國內(nèi)外獲得具有耐熱沖擊性能磷酸鹽激光釹玻璃的主要途徑為改進玻璃組 分。如德國肖特的 APG-I 玻璃(U. S. Pat. No. 5032315)，其主要成分為 P2O5，Al2O3，Li2O,MgO， 其中Al2O3的含量(摩爾比mol%)在0 15%之間，(Li2CHMgO)含量在20 30%。其熱 膨脹系數(shù)為76X 10_6/K，熱導(dǎo)率在0. 83W/MK之間，受激發(fā)射截面在3. 4Χ 10_2°cm2。但該玻璃 在新的激光驅(qū)動器裝置中還無法滿足設(shè)計的需要，目前只能通過減少玻璃的尺寸來降低其 承受的熱負載。表面離子改性是通過離子交換在玻璃表面形成一層壓應(yīng)力，因而可提高玻璃的表 面抗張強度。由公式(1)可知，通過離子交換有利于大幅度提高玻璃的耐熱沖擊性能。表 面離子改性方法已經(jīng)成功用于硅酸鹽玻璃中，且發(fā)現(xiàn)離子交換增強的效果與玻璃組分有著 密切關(guān)系，只有當玻璃中堿金屬和堿土金屬的含量之和與Al2O3含量的比例接近1時，離子 交換量最大，交換層最深，交換后耐熱沖擊性最強。但到目前為止，還沒有專門關(guān)于滿足離 子交換處理的耐熱沖擊性磷酸鹽激光釹玻璃的專利文獻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻璃及其制備方法，該玻璃適 合進行表面離子改性的，具有低熱膨脹系數(shù)和高熱導(dǎo)率的磷酸鹽激光釹玻璃。本發(fā)明提供 的磷酸鹽激光釹玻璃，可滿足重復(fù)頻率系統(tǒng)的需要。本發(fā)明的基本思想是在磷酸鹽P2O5-Al2O3-Li2O-MgO體系中，增加Al2O3的含量(摩 爾比mol% )到16 20mol%之間，引入SiO2的含量(摩爾比mol% )在5 IOmol %之 間，并使玻璃中的(Li20+Mg0+Ba0)/Al2O3摩爾比的比例接近1，以提高玻璃的熱導(dǎo)率和降低 玻璃的熱膨脹系數(shù)，提高離子交換對玻璃表面增強的效果。
本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下一種表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻璃，該玻璃的原料組成范圍如下組成mol%
P2O555 ‘ 65,
Al2O316 ‘ 20，
Li2O0 --10，
MgO0廣 10，
Li2CHMgO8 --17
BaO0廣 5，
B2O32 ^ 3，
La203+Y203+Nb205+Sb2031 4，
SiO25 --10，Nd2O30.5 4.0。所述的表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻璃的制備方法，包括以下步驟①選定玻璃原料配方，稱量各原料；②將原料充分混合均勻，形成混合料；③將碳化硅熔爐升溫到1350 1400°C，將所述的混合料分4 6次加入到石英 坩堝中熔制3 6小時；④在石英坩堝上加蓋，通入02+CCl4混合氣，氣流量為40 180升/小時，除水 30 90分鐘；⑤停止通氣后，在1420 1450°C下對玻璃液澄清3 9小時；⑥對1350 1400°C對玻璃液進行機械攪拌9 18小時；⑦將制得的玻璃液倒入到石墨模具中定型；⑧將盛有玻璃的石墨模具放入馬弗爐，在500 600°C下保溫2 6小時后，以 10-20°C /小時的速率降溫至室溫，得到玻璃；⑨將所述的玻璃放入離子交換器皿中，加入NaNO3和KNO3混合熔鹽，NaNO3和 KN03的重量比為1 5后，升溫到340 400oC，保溫12 20小時，然后進行常規(guī)退火。本發(fā)明的技術(shù)效果如下由于本發(fā)明在磷酸鹽P2O5-Al2O3-Li2O-MgO體系中，增加Al2O3的含量到16 20mol %之間，引入SiO2的含量在5 IOmol %之間，并使玻璃中的(Li20+Mg0+Ba0) / Al2O3摩爾比的比例接近1，提高了玻璃的熱導(dǎo)率和降低玻璃的熱膨脹系數(shù)，提高了離子交 換對玻璃表面增強的效果。測試結(jié)果表明本發(fā)明的表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹 玻璃的熱膨脹系數(shù)在50-80X10_6/K之間，熱導(dǎo)率在0. 8-1.2W/MK之間，受激發(fā)射截面在 3. 0-3. 7Xl(T2°cm2，熒光壽命在340_400us，耐熱沖擊性能是APG-I玻璃的1. 5倍以上。通 過對制備的表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻璃進行表面化學(xué)增強后可提高耐熱沖擊性 能3-5倍。因而，該玻璃在滿足一定重復(fù)頻率的高平均功率固體激光系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明實施例1玻璃在300-1100nm范圍的透過曲線。
圖2為本發(fā)明實施例1玻璃的熒光光譜曲線<
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范
實施例1 一·制備工藝
第一步選定玻璃原料的配方為(按摩爾百分比計)
55 10 16 2 8
2. 5 0. 5 0. 5 5
0. 5
按第一步所給配方稱量原料，將原料充分混合均勻形成混合料； 在1350°C，將所述的混合料分4次加入到石英坩鍋中，用熔融法熔制3小圍。 時；第四步第五步第六步第七步第八步 得玻璃；第九步將所述的玻璃放入離子交換器皿中，加入妝而3和KNCV混合熔鹽，NaNO3和 KNO3的重量比為1 5，升溫到340°C，保溫15小時，進行常規(guī)退火。對實施例的玻璃進行測試，測試結(jié)果表明圖1為本發(fā)明實施例1玻璃在 300-1 IOOnm范圍的透過曲線。圖2為本發(fā)明實施例1玻璃的熒光光譜曲線。
P2O5 Li2O Al2O3 B2O3 MgO La2O3 Nb2O5 Sb2O3 SiO2 Nd2O3 第 第:
步步在石英坩堝上加蓋，通入02+CCl4，氣流量為180升/小時，除水30分鐘； 停止通氣后，在1400°C下對玻璃液進行澄清4小時； 對澄清好的玻璃液，降溫到1350°C，進行機械攪拌9小時； 將制得的玻璃液倒入到模具中定型；在馬弗爐內(nèi)550°C下保溫3小時后，以10°C /小時的降溫速度至室溫，獲

實施例2
測試和應(yīng)用與例1相同，只是制備工藝有所不同，如下 制備工藝
第一步選定的原料配方為(按摩爾百分比計) P2O555
Li2O8
Al2O318
MgO5
5
B2O32La2O31Nd2O31SiO210第二步按第一步所給配方配料，將原料充分混合均勻，形成混合料；，第三步在1420°C，將所述的混合料分6次加入到石英坩鍋中，用熔融法熔制6小 時；第四步在石英坩堝上加蓋，通入02+CCl4混合氣體，氣流量為40升/小時，除水 90分鐘；第五步停止通氣后，在1450°C下對玻璃液進行澄清9小時；第六步對澄清好的玻璃液，降溫到1420°C，進行機械攪拌18小時；第七步將制得的玻璃液倒入到模具中定型；第八步在馬弗爐內(nèi)600°C下保溫6小時后，以15°C /小時的速度降溫至室溫獲得
玻璃；第九步將所述的玻璃放入離子交換器皿中，加入妝而3和KNCV混合熔鹽，NaNO3和 KNO3的重量比為1 5，升溫到400°C，保溫18小時，進行常規(guī)退火。測試結(jié)果1、實施例1，實施例2的熱機械性能如下，并與APG-I玻璃進行對比， 2、實施例1，實施例2表面處理前后性能對比 其它實施例其他實施方法均與實施例1、2相同，只是制備工藝中的配方不同。下表列出了本 發(fā)明中的一些實施例的原料組分。
測試結(jié)果表明本發(fā)明磷酸鹽激光釹玻璃的熱膨脹系數(shù)在50-80Χ10_6/Κ之間，熱 導(dǎo)率在0. 8-1. 2W/MK之間，受激發(fā)射截面在3. 0-3. 7 X l(T2°cm2，熒光壽命在340_400us，耐熱 沖擊性能是APG-I玻璃的1. 5倍以上。通過對制備的表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻 璃進行表面化學(xué)增強后可提高耐熱沖擊性能3-5倍。
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權(quán)利要求
一種表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻璃，特征在于該玻璃的原料組成范圍如下組成 mol％P2O5 55～65，Al2O316～20，Li2O 0～10，MgO 0～10，Li2O+MgO 8～17BaO 0～5，B2O3 2～3，La2O3+Y2O3+Nb2O5+Sb2O3 1～4，SiO2 5～10，Nd2O30.5～4.0。
2.權(quán)利要求1所述的表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻璃的制備方法，包括以下步驟①選定玻璃配方，稱量各原料；②將原料充分混合均勻，形成混合料；③將碳化硅熔爐升溫到1350 1400C，將所述的混合料分4 6次加入到碳化硅熔 爐中的石英坩堝中，熔制3 6小時；④在所述的石英坩堝上加蓋，通入02+CCl4混合氣，氣流量為40 180升/小時，除水 30 90分鐘；⑤停止通氣后，在1420 1450°C下對玻璃液澄清3 9小時；⑥對1350 1400°C對玻璃液進行機械攪拌9 18小時；⑦將制得的玻璃液倒入到石墨模具中定型；⑧將盛有玻璃的石墨模具放入馬弗爐，在500 600°C下保溫2 6小時后，以 10-20°C /小時的速率降溫至室溫，獲得玻璃；⑨將所述的玻璃放入離子交換器皿中，加入NaNO3和KNO3混合熔鹽，NaNO3和KNO3的 重量比為1 5后，升溫到340 400°C，保溫12 20小時，然后進行常規(guī)退火。
全文摘要
一種表面離子改性增強的磷酸鹽激光釹玻璃及其制備方法，該玻璃原料的摩爾百分比組成范圍為P2O555～65％；Al2O316～20％；Li2O0～10％；MgO0～10％；(Li2O+MgO)8～17％；BaO0～5％；B2O32～3％；(La2O3+Y2O3+Nb2O5+Sb2O3)1～4％；SiO25～10％；Nd2O30.5～3.0％；其中(Al2O3+B2O3)/(Li2O+MgO+BaO)＝1。該磷酸鹽激光釹玻璃具有較低的熱膨脹系數(shù)和較高的熱導(dǎo)性，適中的受激發(fā)射截面和高的熒光壽命。該組分的激光釹玻璃適合進行表面化學(xué)增強處理，可大幅度提高其耐熱沖擊性，可用于高平均功率固體激光系統(tǒng)中。
文檔編號C03C3/19GK101880127SQ20101018533
公開日2010年11月10日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者何冬兵, 李順光, 胡麗麗, 陳偉, 陳輝宇 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所