稀土(Pr3+、Yb3+)摻雜氟氧化物玻璃陶瓷析晶特性及發(fā)光性能研究.pdf

1、本試驗采用SiO2、Na2O、Al2O3、CaF2、PrF3與YbF3為原料，通過高溫熔融冷卻法制備了稀土(Pr3+、Yb3+)摻雜SiO2-Na2O-Al2O3-CaF2系玻璃陶瓷樣品。結(jié)合差熱分析(DTA)、X射線衍射(XRD)、傅里葉紅外光譜(FT-IR)、掃描電子顯微鏡(SEM)以及熒光光度計等測試方法，研究了玻璃陶瓷原料組分，制備工藝等因素對氟氧化物基礎玻璃形成能力，以及相應玻璃陶瓷透光度、微觀結(jié)構(gòu)、相組成、析晶特性與發(fā)學性能

2、等的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：
　　基礎玻璃形成能力研究結(jié)果表明：基礎玻璃形成能力隨著SiO2/A12O3相對含量的減少而減弱；隨Na2O/CaF2含量的增大而增強；隨Al2O3/CaF2含量的增大而減弱，因此，該體系基礎玻璃的原料組成確定為：55SiO2-20Al2O3-5Na2O-20 CaF2(mol％)。
　　析晶動力學研究結(jié)果表明：樣品的晶化過程主要受擴散機制控制，微晶的生長方式為三維生長過程，其形核速率隨著晶化溫度

3、的升高而不斷降低，當晶化溫度高于690℃時，其形核機制已趨于零形核；基礎玻璃冷卻速率研究結(jié)果表明：冷卻速率對樣品微觀組織結(jié)構(gòu)有影響，冷卻速率過低時，基礎玻璃內(nèi)部有初始晶核生成，該部分初始晶核在后續(xù)晶化過程中形成了雜相(硅酸鈣鋁(Al3Ca0.5Si3O11)相)，導致基礎玻璃失透，晶化溫度也有所升高。相反，冷卻速率較高時，晶化處理過程中表現(xiàn)為單相析晶機制，基礎玻璃內(nèi)部析出相表現(xiàn)為單一球狀CaF2納米晶晶相。
　　XRD及SEM研究

4、結(jié)果表明：該體系玻璃陶瓷的析出相為CaF2納米晶，隨著熱處理溫度以及時間的增加，內(nèi)部結(jié)晶相含量以及晶粒尺寸均增大，溫度高于670℃時還會析出硅酸鈣鋁(Al3Ca0.5Si3O11)相，因此氟氧玻璃陶瓷的熱處理制度為：核化制度580℃、0.5 h；晶化制度670℃、3 h；對于摻雜 Yb3+的玻璃陶瓷，在晶化熱處理時，Yb3+離子會進入CaF2晶格形成Ca0.8Yb0.2F2.2固溶體，隨著稀土離子濃度的增加，玻璃陶瓷中結(jié)晶相的含量以及晶

5、粒尺寸都有所增大。
　　吸收光譜以及J-O理論分析結(jié)果表明：Yb3+/Pr3+共摻體系吸收譜的各個峰位體現(xiàn)為Yb3+、Pr3+吸收峰的簡單疊加，稀土離子各自的吸收峰位也不會改變，Yb3+：2F7/2→2F5/2的發(fā)射截面與Pr3+：3H4→3P2的吸收截面之間有較大的重疊區(qū)域，由Yb3+：2F7/2能級向Pr3+：3P2能級之間的能量傳遞是可以實現(xiàn)的。發(fā)光特性研究結(jié)果表明：對與該氟氧體系Pr3+-Yb3+共摻玻璃陶瓷，其可見光區(qū)域

6、的發(fā)射峰強度隨著Yb3+離子濃度的增加而減弱，而近紅外區(qū)域的發(fā)射峰強度卻隨之增強，即Pr3+/Yb3離子之間發(fā)生了能量傳遞，處于Pr3+離子激發(fā)態(tài)的3P0能級更多的將能量傳遞給Yb3+離子，并通過2F5/2→2F7/2躍遷轉(zhuǎn)化為近紅外發(fā)光，但當Yb3+離子濃度高達8 mol%時，發(fā)現(xiàn)玻璃陶瓷樣品GC8的近紅外波段發(fā)射光譜峰的強度反而降低，這是由于玻璃陶瓷內(nèi)部稀土離子濃度過高導致濃度淬滅現(xiàn)象而造成的。
　　能量傳遞機制研究表明：相對