高结晶度透明微晶玻璃的制备技术与发光性能研究

透明微晶玻璃既具有陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度等特性，也具有比晶体材料制备工艺简单、易做成大尺寸及受杂质影响小的优点，还具有玻璃的光学特性，在固体激光器、红外发生器、红外探测器、红外整流罩、核成像与核探测、坦克窗、士兵防护面具、信息、照明等军民用领域都有极为重要的应用，是一类对国家安全和国民经济可持续发展具有重大意义的新一代材料，也是当前材料领域研究和应用方面的重要前沿方向。本项目以有可能替代国内目前不能生产及制备技术和性能与国外差距较大的透明晶体和透明陶瓷材料的透明微晶玻璃为研究对象，探索高结晶度透明微晶玻璃的制备技术，研究化学组成、掺杂离子类型和含量对微晶玻璃的基本理化性能和特征性能（如激光特性、闪烁特性）的影响，揭示微晶体类型、微晶体含量、晶粒大小和玻璃相含量与基本理化性能和特征性能之间的关系，比较其与晶体和透明陶瓷材料间的异同，发现新的高性能激光介质材料和闪烁材料。

透明微晶玻璃是一类对国家安全和国民经济可持续发展具有重大意义的新一代材料。本项目主要探索高结晶度透明微晶玻璃的制备技术，研究了化学组成、掺杂离子、微晶体类型、含量、晶粒大小和玻璃相含量与基本理化性能和特征性能之间的关系，发现新型高性能激光介质材料和闪烁材料。.率先成功制得Nd3+、Yb3+掺杂NCS高结晶度透明微晶玻璃，其主晶相分别为Na6Ca3Si6O18和Na4Ca4Si6O18，结晶度分别为84.35±5 vol%和87.03±5 vol%，晶粒大小分别为0.5 ~ 2μm和2 ~ 15μm，3mm厚试样的透光率都达80%以上，最强荧光发射峰分别位于1060nm和970nm。Nd2O3掺杂NCS体系高结晶度透明微晶玻璃的Ω4/Ω6值为1.07，介于0.9-1.1之间，优于Nd3+ :YAG（晶体，Ω4/Ω6=0.54）和Nd3+ :YAG（陶瓷，Ω4/Ω6=0.69）。Yb3+掺杂NCS微晶玻璃的荧光寿命τr为1.44ms，βmin为0.094，Isat为10.22Kw/cm2，Imin为0.96 Kw/cm2。得出高结晶度透明微晶玻璃可替代透明晶体与透明陶瓷的结论。.首次成功制备Nd3+、Yb3+掺杂的MgO-Al2O3-SiO2(MAS)与TeO2-Bi2O3-ZnO(TBZ)体系高结晶度透明微晶玻璃。MAS微晶玻璃含μ-和α-堇青石晶相，结晶度达87vol%，晶粒大小5 ~10nm，密度2.477 g/cm3 , 折射率1.529，热膨胀系数1.435×10-7/℃，维氏硬度达8.1 GPa，2mm厚微晶玻璃的透过率为70-80%，表现出优良的综合性能。TBZ微晶玻璃的晶相为Bi2Te4O11，Nd2O3含量分别为0.5%，1.0%，1.5%，2.0%和2.5wt%的微晶玻璃的结晶度分别为23%，65%，73%，80%，89 vol%，发现晶粒尺寸和吸收强度都随Nd3+含量增加而增大；在850-1400nm间出现3个荧光峰，最强荧光峰位于1062nm，荧光寿命从194μs降低到86μs，观察到明显的荧光猝灭现象。Yb3+掺杂TBZ透明微晶玻璃，析出晶相为Y2Te6O15，结晶度66 vol%。首次成功制得了以Gd2O3-SiO2-B2O3 (GSO)与Gd2O3-Ga2O3-GeO2 (GGG)为主要组成的玻璃。