Прозрачная стеклокерамика на основе кристаллов zno и способ ее получения



Прозрачная стеклокерамика на основе кристаллов zno и способ ее получения
Прозрачная стеклокерамика на основе кристаллов zno и способ ее получения
Прозрачная стеклокерамика на основе кристаллов zno и способ ее получения
Прозрачная стеклокерамика на основе кристаллов zno и способ ее получения

 


Владельцы патента RU 2616645:

Акционерное общество "Научно-исследовательский и технологический институт оптического материаловедения Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "НИТИОМ ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова") (RU)

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к материалам, прозрачным в видимой области спектра, с высоким поглощением в ИК области спектра. Технический результат – повышение поглощения в ближней ИК-области. Плавят шихту состава, мас.%: K2O 9-20, ZnO 20-35, Al2O3 11-22, SiO2 32-44, Eu2O3 - 0,01-3 мол.% при температуре 1520-1580°С. Отливают расплав в холодную форму и отжигают при температуре 500-550°С. Проводят дополнительную термообработку при температуре в интервале от 650 до 900°С в течение 1-200 ч и охлаждают стеклокристаллический материал до комнатной температуры. Полученная прозрачная стеклокерамика на основе кристаллов ZnO выполнена на основе калиевоцинковоалюмосиликатного стекла с кристаллической фазой оксида цинка и примесью трехвалентных ионов европия в количестве от 0,01 до 3 мол.%. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к материалам, прозрачным в видимой области спектра, с высоким поглощением в ИК области спектра для оптической записи информации, для люминофоров, для индикаторов тепловых полей, пассивных затворов, для фото- и киносъемки и других оптических применений.

Для создания отрезающих ИК-фильтров обычно используют комбинированные фильтры, состоящие из поглощающего ИК-излучение слоя, а также отражающих и противобликовых покрытий. Так, в выбранном нами аналоге (US №20100321770, опубл. 23.12.2010 по индексам МПК G02B 13/14, G02B 5/22) поглощает пластина, содержащая добавки Р2О5 или CuO, причем коэффициент поглощения красящих добавок невысок, поэтому приходится увеличивать толщину слоя красящего фильтра, что приводит к увеличению веса и повышению хрупкости материала.

В качестве прототипа выбрано техническое решение «Стеклокерамика на основе ZnO», заявленное WO №2004060825, опубл. 22.07.2004 по индексам МПК С03С 10/02, С03С 10/00, С03С 4/12, или US №6936555 В2, опубл. 30.08.2005 по индексам МПК С03С 10/02; С03С 13/04.

В заявленном изобретении получили прозрачные стеклокристаллические материалы (СКМ) на основе кристаллов ZnO. Введение Sb2O3 приводит к появлению поглощения в ИК области спектра. Недостатком этих материалов является недостаточно высокое для целого ряда применений поглощение СКМ, а также использование Sb2O3, оксида, применение которого в настоящее время не рекомендовано в связи с его токсичностью.

Задачей нового изобретения является создание материала с высоким поглощением в ближней ИК области спектра с помощью синтезирования стеклокристаллического материала с нанокристаллами ZnO, содержащего ионы редкоземельных элементов (РЗИ), в том числе ионы Eu3+.

Для решения поставленной задачи - создания материала с высоким поглощением в ближней ИК области спектра - синтезирован новый стеклокристаллический материал с нанокристаллами ZnO, содержащий РЗИ, в том числе ионы Eu3+. Исследованы его структурные и спектроскопические свойства.

Предлагаемая группа изобретений объединена изобретательским замыслом: новый материал и способ его получения.

Технический результат достигается за счет создания в прозрачной матрице нанокристаллов ZnO, с которыми взаимодействуют ионы Eu3+, либо входя в структуру кристаллов, либо локализуясь на их поверхности. Высокого ИК-поглощения не наблюдается в материалах, содержащих кристаллы ZnO и не содержащих ионов Eu3+, а также в материалах, содержащих ионы Eu3+ и не содержащих кристаллы ZnO.

Нами показано, что введение вместо Sb2O3 нетоксичного Eu2О3, одного или в смеси с другими редкоземельными ионами, позволяет создать высокое поглощение в ИК области спектра при полной прозрачности в видимой области спектра.

Сущность изобретения: предлагается материал на основе калиевоцинковоалюмосиликатного стекла - прозрачная в видимой области стеклокерамика с кристаллической фазой оксида цинка (ZnO) и примесью трехвалентных ионов редкоземельных элементов, включая европий, в количестве от 0,01 до 3 мол.%. Предлагаемый материал обладает высокой прозрачностью в видимой области спектра, высоким поглощением в ближней ИК области спектра, технологичен в производстве и экологически безопасен. Окраска и люминесцентные свойства материала характерны для Eu3+ или введенной смеси редкоземельных ионов (РЗИ) - активаторов, содержащей ионы Eu3+. Поглощение в ИК области определяется наличием кристаллической фазы ZnO и ионов Eu3+, а его интенсивность зависит от количества кристаллической фазы ZnO, размера кристаллов и от концентрации ионов Eu3, а также других РЗИ.

В состав возможно введение дополнительно ионов переходных металлов (Со, Ni, Cr, Fe, Cu, Mn, V) в количестве 0,01-3 мол.%.

Предлагаемый способ получения стеклокристаллического материала состоит из следующих этапов:

1. Плавление шихты стекла, выбранного из составов, приведенных в Таблице 1, при температуре 1520-1580°С.

2. Отлив в холодную форму и отжиг прозрачного стекла при температуре 500-550°С.

3. Превращение стекла в стеклокерамику путем дополнительной термообработки при температуре в интервале от 650 до 900°С (в зависимости от концентрации вводимого оксида европия) в течение 1-200 часов, при такой термообработке происходит образование нанокристаллов ZnO и не происходит кристаллизация силикатов европия, приводящая к потере прозрачности материала.

4. Охлаждение стеклокристаллического материала до комнатной температуры.

Конкретный пример получения новой стеклокерамики:

Исходное стекло состава (мас.%) 15K2O-30ZnO-16Al2O3-39SiO2, активированное 1 мол.% Eu2O3, массой 200 г было синтезировано в лабораторной электрической печи при температуре 1580°С в течение 6 часов в стекритовом тигле с перемешиванием мешалкой из того же материала, отлито на холодную металлическую плиту и отожжено при температуре 500°С. Его изотермические термообработки проводились в интервале температур 680-900°С в течение 2-48 часов. Рентгенофазовый анализ (РФА) проводился на дифрактометре Shimadzu 6000, излучение Cu Kα с Ni фильтром, на тщательно измельченных порошках. Спектры поглощения плоскопараллельных полированных образцов толщиной 3±0,02 мм были записаны на спектрофотометре Shimadzu UV-3600.

Для иллюстрации изобретения представлены:

Фиг. 1. Рентгенограммы исходного и термообработанных стекол, где 1 - исходное стекло с 3% Eu2О3; 2 - стекло с 3% Eu2O3, термообработка при 700°С в течение 12 ч; 3 - стекло с 3% Eu2O3, термообработка при 680°С в течение 48 ч; 4 - стекло без Eu2O3, термообработка при 680°С в течение 48 ч.

Фиг. 2. Спектры поглощения исходного и термообработанных стекол, где 1 - исходное стекло с 3% Eu2O3; 2 - стекло с 3% Eu2О3, термообработка при 700°С в течение 12 ч; 3 - стекло с 3% Eu2O3, термообработка при 680°С в течение 48 ч; 4 - стекло без Eu2О3, термообработка при 680°С в течение 48 ч.

Прозрачное исходное стекло светло-желтого цвета, рентгеноаморфное согласно данным РФА (Фиг. 1), было термообработано в течение 2 часов в диапазоне температур 680-900°С. Нанокристаллы ZnO являются единственной кристаллической фазой до температуры термообработки 850-900°С. Их количество и размер возрастает при повышении температуры термообработки. При дальнейшем повышении температуры термообработки дополнительно выделяются кристаллы силиката европия, материал теряет прозрачность.

Способ получения такого материала отличается от прототипа исключением из состава Sb2O3 и введением в состав смеси РЗИ, в том числе ионов Eu3+.

Прозрачная стеклокерамика с нанокристаллами оксида цинка, содержащими РЗИ, в том числе ионов Eu3+, может быть изготовлена из стекол составов, представленных в Таблице 1.

В предлагаемом материале оксиды РЗИ введены сверх 100% основного состава. Совокупность 4-х первых компонентов - SiO2, Al2O3, ZnO и K2О - образует основу, формирующую ионно-ковалентно увязанную сетку стекла. При этом Eu2О3 является активной добавкой, обеспечивающей в присутствии выделившихся кристаллов ZnO интенсивное поглощение в ближней ИК области спектра, при этом получается прозрачный стеклокристаллический материал на основе ZnO.

Основным преимуществом предложенной стеклокерамики перед известными техническими решениями является исключение из состава токсичного оксида сурьмы и повышение поглощения в ближней ИК области спектра.

Нам не известны технические решения, заключающиеся в формировании нанокристаллов ZnO, взаимодействующих с ионами Eu3+, что приводит к интенсивному поглощению в ближней ИК области спектра.

Конкретные примеры составов стекол, режимов термообработки и полученные свойства стеклокристаллических материалов приведены в Таблице 2, из которой видно, что стеклокристаллические материалы данных составов, полученные по приведенным режимам, обладают прозрачностью и высоким поглощением в ближней ИК области спектра, обеспеченным присутствием наноразмерных кристаллов ZnO и РЗИ, в том числе ионов Eu3+.

Компоненты шихты в виде оксидов и карбонатов смешивались, перемалывались с целью получения однородной шихты, шихта засыпалась в стекритовые тигли. Стекло синтезировали при температуре 1580°С в течение 6 часов с перемешиванием стекритовой мешалкой, расплав отливался на холодную металлическую плиту.

Введение SiO2 в количествах, меньших указанного, не приводит к образованию прозрачного стекла, а введение SiO2 в количествах, больших указанного, повышает температуру плавления шихты до температур, превышающих 1580°С, что не обеспечивается стандартным стекловаренным оборудованием и препятствует получению расплава стекла. Введение Al2O3, ZnO и K2О в количествах, меньших и больших заявляемого интервала, препятствует получению прозрачного стеклокристаллического материала. Введение Eu2О3 в количествах, меньших заявляемого, не приводит к эффекту возникновения интенсивного поглощения. Введение Eu2О3 и оксидов РЗИ в количествах, больших заявляемого, приводит к потере прозрачности материала.

Дополнительная термообработка образцов при температуре ниже 650°C не приводит к выделению кристаллической фазы - оксида цинка. Термообработка образцов при температуре выше 900°С приводит к появлению нежелательных силикатных фаз, ухудшающих прозрачность материала. Длительность термообработки менее 1 часа не приводит к формированию кристаллов ZnO. Длительность термообработки более 200 часов приводит к выделению нежелательных силикатных фаз, ухудшающих прозрачность материала.

Образцы стекла термообрабатывались по режимам, указанным в Таблице 2. Кристаллические фазы определялись с помощью рентгенофазового анализа, также измерялся спектр пропускания. В каждом опыте исходное стекло нагревалось до температуры термообработки со скоростью 300°С/ч, выдерживалось в течение времени, достаточного для выделения кристаллической фазы - оксида цинка, затем закристаллизованный образец охлаждался до комнатной температуры в печи инерционно. Размер кристаллов ZnO составляет 5-20 нм.

В результате проведенных опытов получена прозрачная стеклокерамика с кристаллической фазой оксида цинка и примесью ионов Eu3+ от 0,01 до 3 мол.%. Предлагаемое вещество обладает высокой прозрачностью в видимой области спектра, высоким поглощением в ближней ИК области спектра, технологично в производстве и нетоксично.

Выводы

1. В калиевоцинковоалюмосиликатной системе получены прозрачные СКМ, содержащие РЗИ, в том числе ионы Eu3+, и одну кристаллическую фазу - оксид цинка. Материал теряет прозрачность при кристаллизации силикатов европия.

2. СКМ с кристаллической фазой ZnO в присутствии РЗИ, в том числе ионов Eu3+, обладают интенсивным поглощением в ИК области спектра и являются перспективной средой для оптической записи информации, для люминофоров, для индикаторов тепловых полей, пассивных затворов, для фото- и киносъемки и других оптических применений.

1. Прозрачная стеклокерамика на основе кристаллов ZnO, представляющая материал на основе калиевоцинковоалюмосиликатного стекла с кристаллической фазой оксида цинка и примесью трехвалентных ионов европия в количестве от 0,01 до 3 мол.%.

2. Прозрачная стеклокерамика по п. 1, состав которой дополнительно содержит ионы переходных металлов Со, Ni, Cr, Fe, Cu, Mn, V в количестве 0,001-3 мол.%.

3. Способ получения прозрачной стеклокерамики на основе кристаллов ZnO, включающий плавление шихты стекла состава K2O 9-20, ZnO 20-35, Al2O3 11-22, SiO2 32-44 (мас.%), Eu2O3 0,01-3 (мол.%) при температуре 1520-1580°С, отлив в холодную форму и отжиг прозрачного стекла при температуре 500-550°С, превращение стекла в стеклокерамику путем дополнительной термообработки при температуре в интервале от 650 до 900°С в течение 1-200 ч и охлаждение стеклокристаллического материала до комнатной температуры.

4. Способ по п. 3, в котором исходный состав дополнительно содержит оксиды переходных металлов Со, Ni, Cr, Fe, Cu, Mn, V в количестве 0,001-3 мол.%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии новых оптических стеклообразных кварцоидных материалов, обладающих люминесценцией в широком спектральном диапазоне, и может быть использовано в производстве волоконных световодов с лазерной генерацией в инфракрасном спектральном диапазоне и различных устройств на их основе для оптимизации элементов волоконно-оптических линий связи.

Изобретение относится к прозрачным стеклокристаллическим оксидным материалам, которые могут использоваться в качестве активной части конверторов в видимую область спектра УФ излучения солнечно-слепого диапазона.

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к составам Yb-содержащих оптических стекол, которые могут использоваться в качестве активных сред лазеров (в том числе волоконных), генерирующих в ближней инфракрасной области спектра.

Изобретение относится к составам оптических стекол, а именно к люминесцирующим стеклам, активированным ионами редкоземельных элементов, в частности ионами европия и иттербия, и предназначено для использования в качестве активной среды в ап-конверсионных лазерах, люминофорах для преобразования инфракрасного лазерного излучения в видимое оранжево-красное.

Изобретение относится к технологии получения сцинтилляционных неорганических материалов для измерения ионизирующего изучения на основе силикатных стекол и стеклокомпозитов, активированных ионами церия, в частности к материалам для регистрации нейтронов.

Изобретение относится к технологии получения люминесцентных стекол на основе силикатных, боросиликатных, боратных стекол и стеклокомпозитов, активированных редкоземельными ионами, в частности ионами Ce, Pr и Eu, для их использования в преобразователях энергии возбуждения в световое излучение видимого или УФ-диапазона.
(57) Изобретение относится к составам оптических стекол и может быть использовано в лазерных системах в качестве активных сред ап-конверсионных лазеров с диодной накачкой, преобразующих инфракрасное лазерное излучение в видимую область, а именно в зеленую область спектра.

Изобретение относится к области оптического материаловедения, в частности к способу локальной нанокристаллизации легированных стекол под действием лазерного излучения.

Изобретение относится к оптическим материалам, в частности к составам Yb-содержащих оптических стекол, которые могут использоваться в качестве активных сред лазеров (в том числе волоконных), генерирующих в ближней инфракрасной области спектра. Техническим результатом изобретения является создание стекла, характеризующегося интенсивной широкополосной люминесценцией в ближней инфракрасной области спектра и пригодного для использования в качестве активной среды лазера.

Изобретение относится к области люминесцентных стекол для преобразования ультрафиолетового излучения в белый цвет. Техническим результатом изобретения является создание люминесцентного стекла с высокой прозрачностью в видимом диапазоне.

Изобретение относится к составам хрустального стекла хрустального стекла. Технический результат – увеличение показателя светопреломления.

Стекло // 2574230
Изобретение относится к стеклу для изготовления аморфных мелкодисперсных наполнителей, в частности стеклянных микросфер, как полых, так и монолитных. Такие наполнители могут быть использованы в различных отраслях промышленности: строительной, химической, авиационной, лакокрасочной.

Изобретение относится к области иммобилизации и хранения ядерных отходов. Предложена композиция содопированного оксидами самария и гадолиния алюмоборосиликатного стекла с повышенной радиационной стойкостью для иммобилизации и хранения радиоактивных отходов, состоящая из (молярные проценты): SiO2 62-65, В2О3 16-17, Al2O3 4-5, Na2O 12-13, ZrO2 1,7-1,9 и оксидов самария и гадолиния в концентрациях (молярные проценты): Sm2O3 0,15 и Gd2O3 0,15.

Изобретение относится к технологии получения люминесцентных стекол на основе силикатных, боросиликатных, боратных стекол и стеклокомпозитов, активированных редкоземельными ионами, в частности ионами Ce, Pr и Eu, для их использования в преобразователях энергии возбуждения в световое излучение видимого или УФ-диапазона.
(57) Изобретение относится к составам оптических стекол и может быть использовано в лазерных системах в качестве активных сред ап-конверсионных лазеров с диодной накачкой, преобразующих инфракрасное лазерное излучение в видимую область, а именно в зеленую область спектра.

Изобретение относится к легированным стеклам, которые могут использоваться в качестве антистоксовых визуализаторов ИК-излучения с 0,89-0,99 мкм, активной среды усилителей и лазерных преобразователей, функционирующих в полосе антистоксовой люминесценции, а также для визуального контроля мощности лазерного ИК-излучения.
Изобретение относится к серым стеклам, используемым в автомобилестроении, архитектуре, космической промышленности. .

Изобретение относится к стекловолокну, которое используется при изготовлении тепло- или звукоизоляционного материала. .

Изобретение относится к технологии мультиферроиков. Технический результат - получение нанокомпозитов со свойствами мультиферроиков.
Наверх