Стекло для изготовления градиентных элементов методом ионного обмена

 

Изобретение относится к стеклам для оптических и акустических элементов с градиентом свойств, изготовляемых методом ионообменной взаимодиффузии из расплава солей одновалентных металлов. Стекло не содержит токсичных компонентов и позволяет эффективно изменять показатель преломления как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения от первоначального значения. Эффективность предлагаемого стекла - инкремент показателя преломления принимает значения 19 - 24 10-4 (мол.%)-1. Стекло имеет следующий состав, мол.%: SiO2 45,6 - 52,8, TiO2 15,0 - 17,0, Zi2O 0,1 - 20,0, Na2O 5,0- 25,0, ZrO2 1,0 - 6,0, HbO2 1,0 - 6,0, Sb2O5 0,2 - 0,3, Ta2O5, или Nb2O5 или Za2O3, или СаO, или SrO, или ВаО 1,0 - 5,0, причем сумма оксидов ZrO2 и HbO2 составляет 6,0 - 9,0 мол.%. 4 табл.

Изобретение относится к стеклам для оптических и акустических элементов с градиентом свойств, изготовляемых методом ионообменной взаимодиффузии из расплава солей одновалентных металлов.

Известно стекло для градиентных элементов, которое имеет компонентный состав, мол.%: SiO2 50,7 - 59,8, TiO2 15,0 - 17,0, HfO2 3,0 - 9,0, Sb2O3 0,2 - 0,3, Li2O 0,1-25,0, Na2O 0,1-25,0 [1]. После ионного обмена в расплаве солей лития и расплаве солей натрия изменение величины показателя преломления (ПП) стекла n не превышает значения от плюс 27510-4 до минус 27010-4 соответственно. При этом инкремент показателя преломления (ИПП) равен 1410-4 (мол.%)-1. ИПП - характеристика эффективности изменения ПП в расчете на один мол.% обменивающегося оксида R2O в стекле.

Известно стекло состава, мол.%: SiO2 40,0 - 54,8, Na2O 5,0-30,0, Li2O 0,1 - 24,0, TiO2 15,0 - 25,0, ZrO2 3,0 - 9,0, Sb2O3 0,2 - 0,3 [2]. Это стекло - прототип позволяет получить в нем изменение показателя преломления n от значения плюс 450 10-4 и до минус 360 10-4 после ионного обмена в расплаве солей лития и расплаве солей натрия соответственно. При этом инкремент показателя преломления равняется (15-18)10-4 (мол.%)-1. При условии равного молярного содержания оксидов лития и натрия, т.е. при отношении Li2O/Na2O= 1, и дополнительном введении оксидов кальция или стронция или тантала или ниобия или бария в стекло ИПП достигает величины (19-20)10-4 (мол.%)-1, но величина n изменяется при этом только до (190-240)10-4.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение изменения - перепада - показателя преломления и инкремента показателя преломления стекла при ионном обмене при сохранении его механической прочности.

Цель достигается тем, что предлагаемое стекло для изготовления градиентных элементов методом ионного обмена, включающее SiO2, Na2O, Li2O, TiO2, ZrO2, Sb2O3 и один из оксидов CaO, SrO, Nb2O5, Ta2O5, BaO, дополнительно содержит в качестве одного из оксидов La2O3 и содержит дополнительно HfO2 при соотношении компонентов, мол.%: SiO2 - 45,6-52,8 TiO2 - 15,0 - 17,0 Li2О - 0,1 - 20,0 Na2O - 5,0 - 25,0 ZrO2 - 1,0 - 6,0 HfO2 - 1,0 - 6,0 Sb2O3 - 0,2 - 0,3 Ta2O5 или Nb2O5 или La2O3 или CaO или SrO или BaO - 1,0 - 5,0, причем сумма оксидов ZrO2 и HfO2 составляет 6,0-9,0 мол.%.

Варку предлагаемого стекла проводят в платиновых или стекритовых тиглях из расчета 0,3 кг стекла в лабораторных силитовых печах из шихты, в которой в качестве исходных компонентов взяты Li2CO3, Na2CO3 и остальные компоненты в виде оксидов. Температура варки - до 1450oC.

Способ формирования градиентного стекла осуществляется следующим образом. Из стекла предлагаемого состава изготовляют образцы размером 101010 мм3. Ионообменную обработку образцов стекла проводят в шахтных печах типа СШОЛ. Образцы погружают в расплав солей и подвергают химикотермической обработке в режимах при 610 - 670oC в течение 6-14 часов.

Измерения величины перепада показателя преломления проводят на гелий - неоновом лазерном интерферометре типа Маха - Цендера.

Конкретные составы предлагаемого стекла приведены в табл.1. В табл.2, 3 приведены параметры стекла после взаимодиффузии, а именно величина n - перепад ПП в диффузионном слое стекла после ионного обмена, а также величина ИПП, равная где - содержание в мол.% обменивающегося оксида в исходном стекле. Знак "плюс" при n и ИПП означают увеличение ПП стекла после ионного обмена, знак "минус" - уменьшение.

Из данных табл.1, 2, 3 видны составы предлагаемого стекла, параметры ионного обмена - температура и время, и характеристика градиентного, диффузионного, слоя стекла после обмена - n и ИПП.

В таблице 4 приведены сравнительные характеристики стекла - прототипа и предлагаемого стекла после ионного обмена.

Стекло для градиентных элементов тем лучше, чем больше изменение ПП - величины перепада ПП - n после ионного обмена и чем эффективнее это изменение происходит, т.е. чем больше величина инкремента ПП.

Величина перепада показателя преломления n в предлагаемом стекле изменяется от плюс 61010-4 до минус 42010-4, что значительно превосходит наибольшие изменения n в стекле - прототипе от плюс 45010-4 до минус 36010-4. При этом если максимальная величина ИПП, достигнутая в стекле - прототипе только при соотношении Li2O/Na2O равном 1, составляет (19-20)10-4 (мол. %)-1, то в предлагаемом стекле значение ИПП не меньше, чем в стекле - прототипе, и соотношение Li2O/Na2O изменяется по сравнению со стеклом - прототипом в широком диапазоне от 0,004 до 4,0, а именно от 0,1/25,0 до 20,0/5,0, что в совокупности позволяет значительно увеличить диапазон предельных n. Величина наибольшего ИПП предлагаемого стекла состава 6 в табл.2 24,010-4 (мол. %)-1 значительно превосходит все известные значения для обмена натрий-литий.

Поставленная цель увеличения перепада ПП достигается как за счет значительного содержания обменивающегося щелочного оксида, так и за счет высокой эффективности изменения ПП.

Предлагаемое стекло имеет прочный кремнийтитанциркониевогафниевый каркас и благоприятное соотношение между неподвижным элементкислородным каркасом и легкоподвижными щелочными катионами. Введение одного из оксидов кальция, стронция, бария, ниобия, тантала и лантана в количестве до 5 мол.% благоприятно для более интенсивного изменения ПП при обмене литий-натрий. Повышение эффективности обмена при этом связано, вероятно, с уходом дополнительной части щелочных катионов из силикатной подструктуры, т.е. с уменьшением числа немостиковых кислородов, связанных щелочными катионами. Этому способствует сочетание оксидов циркония и гафния в предлагаемом стекле.

Предлагаемое стекло не содержит токсичные компоненты и позволяет эффективно изменять ПП как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения от первоначального значения.

Ионный обмен литий - натрий является недефицитным и нетоксичным процессом.

Сочетание оксидов циркония и гафния оказывает благоприятное действие на обменные свойства и параметры стекла после обмена. Для обмена литий - натрий неизвестны стекла, более сильно изменяющие свой первоначальный ПП от плюс 61010-4 до минус 42010-4. Эффективность предлагаемого стекла очень высока - ИПП принимает значения от 19 до 2410-4 (мол.%)-1 в широкой области составов Li2O/Na2O от 0,004 до 4,0.

Если в стекле сумма оксидов циркония и гафния составляет меньше 6,0 мол. %, то параметры стекла после обмена - перепад ПП, ИПП - принимают меньшие значения, чем у стекла предлагаемого состава, если больше 9,0 мол.% - повышаются кристаллизационные свойства стекла, что неблагоприятно для обмена литий-натрий, если содержание оксидов кремния, титана, циркония, гафния меньше указанных пределов мол.%, то уменьшается прочность стекла, а если содержание оксидов лития и натрия больше, чем соответственно 20 и 25 мол.%, то механическое состояние стекла становится неустойчивым и стекло склонно к разрушению, если содержание одного из оксидов кальция, стронция, бария, ниобия, тантала, лантана меньше 1 мол.% или больше 5 мол.%, то это приводит к нарушению условий для благоприятного обмена - для интенсивного изменения ПП при обмене литий-натрий.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1803393, М. кл. C 03 C 3/095, 1991.

2. Патент РФ N 2082685, М.кл. C 03 C 3/076, 1992.


Формула изобретения

Стекло для изготовления градиентных элементов методом ионного обмена, включающее SiO2, Na2O, Li2O, TiO2, ZrO2, Sb2O3 и один из оксидов CaO, SrO, Nb2O5, Ta2O5, BaO, отличающееся тем, что стекло дополнительно содержит в качестве одного из оксидов La2O3 и содержит дополнительно HbO2 при соотношении компонентов, мол.%:
SiO2 - 45,6 - 52,8
TiO2 - 15,0 - 17,0
Li2O - 0,1 - 20,0
Na2O - 5,0 - 25,0
ZrO2 - 1,0 - 6,0
HbO2 - 1,0 - 6,0
Sb2O3 - 0,2 - 0,3
Ta2O5, или Nb2O5, или La2O3, или CaO, или SrO, или BaO - 1,0 - 5,0
причем сумма оксидов ZrO2 + HbO2 составляет 6,0 - 9,0 мол.%.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:

Стекло // 2056379
Изобретение относится к технологии силикатов, а именно к составам стекол, используемых в химической, фармацевтической промышленностях

Изобретение относится к составам стекла для получения градиентных светофокусирующих элементов, методом ионообменной обработки в расплавах щелочных солей

Изобретение относится к составам стекла, предназначенного для изготовления однослойных облицовочных плиток

Изобретение относится к стекольной промышленности, преимущественно к производству авантюриновых стекол, и может быть использовано для получения декоративных облицовочных материалов и украшений

Изобретение относится к составам стекла вольфрамовой группы, применяемым в производстве металлогалогенных ламп

Стекло // 1733411
Изобретение относится к составам стекла , предназначенного для использования в керамической промышленности в качестве эффективного плавня, взаимодействующего во время обжига с керамической массой и образующего в результате этого более легкоплавкие смеси

Изобретение относится к стекольной промышленности, к производству облицовочных материалов для строительства, С целью улучшения выработочных свойств, повышения прочности имеет следующий состав, мае

Стекло // 1671624
Изобретение относится к стекольной промышленности и предназначено для использования в качестве облицовочного и химически устойчивого материала

Изобретение относится к стеклам для оптических и акустических элементов с градиентом свойств, изготовляемых методом ионообменной взаимодиффузии из расплавов солей одновалентных металлов
Стекло // 2341467
Изобретение относится к области технологии силикатов, в частности к составу стекла
Изобретение относится к области технологии силикатов и касается производства стекла, используемого для изготовления изделий декоративно-художественного назначения, смальты
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и касается составов шихты глазурей для нанесения на керамический кирпич
Наверх