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磁光玻璃是光电高科技领域中重要的透明功能材料,因其各向均匀性好、磁光性能优异、制备工艺简单而在光纤电流传感器、大功率激光器、磁光隔离器、磁光开关等功能器件中有可观的潜在市场和诱人的发展前景。目前,磁光玻璃的研究热点是如何增大玻璃基体中稀土离子的掺杂浓度,在保证玻璃综合性能的基础上提高玻璃的Verdet常数。但是,由于稀土离子强烈的积聚作用,高浓度稀土离子的存在会破坏玻璃基体的网络结构,导致玻璃的磁光性能、热稳定性、化学稳定性等降低。因此,高性能、高Verdet常数的磁光玻璃的制备及其性能研究具有重要意义。
以氧化铽(Tb4O7)、氧化铒(Er2O3)、氧化镨(Pr6O11)、硼酸(H3BO3)、氢氧化铝(Al(OH)3)、氧化镓(Ga2O3)、氧化硅(SiO2)和磷酸氢二氨((NH4)2HPO4)等为主要原料,采用传统高温熔融法制备了稀土掺杂Al2O3-B2O3-SiO2(ABS)系和Ga2O3-B2O3-SiO2(GBS)系磁光玻璃。探索了高浓度稀土掺杂磁光玻璃的高温熔制工艺,并采用差热分析仪(DTA)、X射线衍射分析仪(XRD)、傅立叶红外光谱仪(FT-IR)、魔角自旋核磁共振谱仪(MAS NMR)、旋光仪、V棱镜折光仪、热膨胀仪、激光粒度分析仪、紫外-可见-近红外分光光度计(UV/Vis/NIR)等分析测试手段对磁光玻璃的成玻性能、热稳定性、微观结构、物理性能、光谱性能和化学稳定性等进行了表征和研究,论文的主要工作成果如下。
磁光玻璃制备工艺研究结果表明,在加料、熔融和退火温度分别为1250℃、1450℃和780℃的条件下可制得性能较好的ABS系和GBS系磁光玻璃;采用浇注法成形,玻璃液浇注温度为1400℃。
Tb2O3掺杂ABS玻璃的性能研究结果表明,ABS玻璃是由硅氧、硼氧和铝氧多面体构成的混合网络结构,稀土离子填充在网络结构的空隙中;DTA和XRD测试结果显示,玻璃的成玻区和热稳定性随着Tb2O3掺量的增加先增大后减小,在其摩尔浓度为30%时具有最佳成玻性能和热稳定性;热处理后,Tb3+离子主要在硼、铝相中富集,并主要析出六方相晶体TbBO3和Al3Tb(BO3)4;物理性能分析表明,玻璃的Verdet常数、密度、折射率随Tb2O3掺量的增加而增大,但其膨胀系数却随之降低;UV/Vis/NIR光谱测试结果显示,Tb2O3掺杂ABS玻璃的透光率均为85%左右,玻璃在0.48μm附近出现强烈的吸收峰,且吸收峰的强度随着Tb2O3掺量的增加而增强,但吸收峰位置不随之变化,由此说明稀土玻璃吸收峰位置与稀土掺量无关;化学稳定性分析结果显示,稀土掺杂ABS玻璃的抗碱性>抗水性>抗酸性,且随着Tb2O3掺量的增加,玻璃的化学稳定性先增大后减小,在其摩尔浓度为30%时具有最佳化学稳定性。
Tb2O3掺杂GBS玻璃的性能研究结果表明,GBS玻璃的热稳定性能、物理性能(Verdet常数、密度、折射率)和光谱性能随Tb2O3掺量的变化规律与相应的Tb2O3掺杂ABS玻璃类似。但是,与ABS玻璃相比,相同Tb2O3掺量GBS玻璃的Verdet常数、密度、折射率更大;GBS玻璃的透光率为60%左右,低于相应的ABS玻璃,且GBS玻璃的吸收峰位置(0.48μm)与稀土掺杂ABS玻璃的相同,由此说明稀土玻璃吸收峰的位置不随玻璃基体组成的改变而变化。