一種透紅外鋁酸鈣玻璃的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種透紅外鋁酸鈣玻璃的制備方法，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代紅外光電技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)防和民用領(lǐng)域?qū)χ胁t外玻璃的需求越來(lái)越大。相比于鍺酸鹽玻璃、鎵酸鹽玻璃和碲酸鹽玻璃而言，鋁酸鈣玻璃以高透過率、高硬度和低成本等特點(diǎn)備受關(guān)注。鋁酸鈣玻璃是一種以CaO-Al2O3系統(tǒng)為基礎(chǔ)的透中紅外玻璃，從近紫外到中紅外具有很好的透過率(截止波長(zhǎng)約6μπι)，其紅外透過性能與藍(lán)寶石相當(dāng)，能夠進(jìn)行多光譜大通量傳輸，是制造紅外透過窗口的理想材料。然而，由于不含傳統(tǒng)玻璃形成所需的網(wǎng)絡(luò)形成體(如Si02、B203、P2O5等)，鋁酸鈣玻璃形成區(qū)域較窄，玻璃形成能力和穩(wěn)定性差，尤其對(duì)于大尺寸玻璃制備過程中易出現(xiàn)析晶現(xiàn)象，極大制約了鋁酸鈣玻璃在紅外探測(cè)和紅外成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]從CaO-Al2O3二元相圖可知，在低共熔點(diǎn)組分(12Ca0.7A1 203)附近的較窄區(qū)域內(nèi)容易形成玻璃。常規(guī)采用熔體淬冷法制備出12Ca0.7A1203玻璃，而在偏離該成分點(diǎn)而不添加其他任何添加劑情況下，鮮有其他制備出鋁酸鈣玻璃的報(bào)道。而由熔體淬冷法制備的12Ca0.7A1203玻璃穩(wěn)定性差，需要后期進(jìn)一步的熱處理工藝來(lái)消除玻璃內(nèi)部的熱應(yīng)力。同時(shí)，對(duì)于大塊的12Ca0.7Α1203玻璃而言，在熱處理工藝中還存在容易析晶的缺點(diǎn)，而一旦析晶，鋁酸鈣玻璃的光學(xué)性能將遭到嚴(yán)重破壞。另一方面，為了提高鋁酸鈣的玻璃形成能力，人們嘗試在熔體中加入傳統(tǒng)玻璃形成所需的網(wǎng)絡(luò)形成體添加劑(如3102、8203、？205等)及堿金屬助溶劑(如Li20、Na20和K2O等)來(lái)拓寬鋁酸鈣玻璃的形成區(qū)域，提高玻璃的穩(wěn)定性，制備出了性能優(yōu)異的玻璃。然而，在這些添加劑存在的條件下所制備的鋁酸鈣玻璃軟化溫度大大降低，高溫紅外透過性能降低，光損耗增大，限制了該類玻璃的工業(yè)應(yīng)用。因此，對(duì)于鋁酸鈣玻璃而言，需要重點(diǎn)解決的問題有:①尋找新型鋁酸鈣玻璃制備方法，②拓寬鋁酸鈣玻璃形成范圍，③提高鋁酸鈣玻璃的熱穩(wěn)定性(玻璃轉(zhuǎn)化溫度)。
[0004]從玻璃的形成過程來(lái)看，熔體需要在一定的過冷條件(熔體溫度低于熔點(diǎn))下以一定速率冷卻后形成玻璃。過冷熔體在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，既可以形成玻璃，又可以析晶形成陶瓷。如果在冷熔體冷卻的過程中存在晶核，并且晶核不斷形成和長(zhǎng)大，則過冷熔體會(huì)析晶而不能形成玻璃。在常規(guī)熔體冷卻法的玻璃制備工藝中，熔體盛裝在坩禍中，由坩禍壁和熔體之間的接觸而導(dǎo)致的不可避免的誘導(dǎo)晶核形成和長(zhǎng)大這一因素的存在，使得玻璃的形成能力受到嚴(yán)重制約。因而要尋找新型鋁酸鈣玻璃的制備方法，將熔體與坩禍的接觸隔離開來(lái)的方法是有效可行的。無(wú)容器技術(shù)是一種采用不同手段將熔體與容器分離進(jìn)行熔融凝固的技術(shù)。無(wú)容器技術(shù)大大降低容器誘導(dǎo)熔體異質(zhì)成核的影響，能夠?qū)θ垠w凝固過程的本征特性進(jìn)行直接研究和調(diào)控，因而在研究和開發(fā)新型功能材料方面有著十分重要的意義?，F(xiàn)有發(fā)展起來(lái)的無(wú)容器技術(shù)包括電磁懸浮、聲懸浮、光懸浮、靜電懸浮、氣懸浮、落管(落塔)實(shí)驗(yàn)等技術(shù)，其中氣懸浮利用氣流壓力來(lái)平衡樣品重力而實(shí)現(xiàn)無(wú)容器狀態(tài)，懸浮和加熱過程可以獨(dú)立控制，幾乎可以對(duì)所有材料進(jìn)行懸浮和加熱凝固，因而是一種理想的玻璃制備技術(shù)，將會(huì)大大拓展現(xiàn)有的玻璃體系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有鋁酸鈣玻璃成分范圍窄、熱穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種透紅外鋁酸鈣玻璃的制備方法，從原料成分、原料燒結(jié)工藝以及氣懸浮玻璃熔制工藝方面進(jìn)行優(yōu)化，拓寬了玻璃形成的成分范圍，制備出了熱穩(wěn)定性好的高紅外透過的鋁酸鈣玻璃。
[0006]在此，本發(fā)明提供一種透紅外鋁酸鈣玻璃的制備方法，所述制備方法包括以下工藝:a.將鈣源和鋁源粉體按照Ca:A1的摩爾比為0.85:1?3:1混合均勻；b.將混合物粉體預(yù)壓成塊，在空氣或者氣氛條件下燒結(jié)；c.將燒結(jié)得到的塊體放在氣懸浮爐內(nèi)進(jìn)行熔制，得到鋁酸鹽玻璃；d.將制備得到的鋁酸鹽玻璃進(jìn)行熱處理。
[0007]本發(fā)明采用將原料按照一定比例混合、燒結(jié)后，用氣懸浮無(wú)容器方法制備得到直徑在I?10_的透明鋁酸鈣玻璃球。與常規(guī)熔體冷卻法的玻璃制備工藝相比，本發(fā)明的制備方法可以有效避免由于熔體盛裝在坩禍中，由坩禍壁和熔體之間的接觸而導(dǎo)致的不可避免的誘導(dǎo)晶核形成和長(zhǎng)大而使得玻璃的形成能力受到嚴(yán)重制約。且本發(fā)明的制備方法制備得到的鋁酸鈣玻璃在可見光區(qū)、近紅外區(qū)和中紅外區(qū)均具有良好的透過率，有望成為一種重要的紅外窗口材料、熒光基質(zhì)材料和激光介質(zhì)材料。
[0008]較佳地，工藝a中所述鈣源和鋁源為熔化分解后產(chǎn)物為氧化鈣和氧化鋁且不含其他任何堿金屬氧化物、氧化硅或者重金屬氧化物等成分的物質(zhì)。
[0009]較佳地，工藝a中所述鈣源為氧化鈣、碳酸鈣、氫氧化鈣、甲酸鈣、乙酸鈣、氫化鈣、單質(zhì)鈣、鋁酸鈣化合物中的至少一種。
[0010]又，較佳地，工藝a中所述鋁源為氧化鋁、氫氧化鋁、堿式乙酸鋁、異丙醇鋁、單質(zhì)鋁、鋁酸鈣化合物中的至少一種。
[0011]較佳地，工藝b中燒結(jié)溫度為800?1300°C，燒結(jié)時(shí)間為3?24小時(shí)，升溫速率為I?10C /分鐘。
[0012]較佳地，工藝c中，氣懸浮爐加熱源選用100W?200W CO2激光器或者100W?300W
半導(dǎo)體激光器，氣體選用氧氣、氮?dú)?、氬氣中的至少一種。
[0013]較佳地，工藝c中熔制過程包括以升溫速率為50?300°C /秒，升溫至1300°C?15000C，保溫20秒?2分鐘，優(yōu)選0.5?2分鐘，然后降溫，降溫中在600°C以上降溫速率為500 ?1000C / 秒。
[0014]較佳地，工藝d中熱處理過程包括500°C?900°C保溫2?48小時(shí)。
[0015]本發(fā)明所制備的鋁酸鈣玻璃為直徑I?1mm的球形。
【附圖說明】
[0016]圖1是采用氣懸浮玻璃熔制工藝中熔體的溫度曲線和玻璃實(shí)物圖；
圖2是按照實(shí)施例所制備的鋁酸鈣玻璃的X射線粉末衍射圖譜；
圖3是按照實(shí)施例所制備的鋁酸鈣玻璃2_厚樣品的紅外透過率圖；
圖4是按照實(shí)施例所制備的鋁酸鈣玻璃的DTA測(cè)試得到玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg隨氧化鋁成分變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖和下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0018]本發(fā)明提供一種透紅外鋁酸鈣玻璃的制備方法，該方法從原料成分、原料燒結(jié)工藝以及氣懸浮玻璃熔制工藝方面進(jìn)行優(yōu)化，拓寬了玻璃形成的成分范圍，制備出了熱穩(wěn)定性好的高紅外透過的