摘 要

本论文采用熔融法制备氧化镱掺杂的尖晶石微晶玻璃，以平板淬冷法使玻璃成型，运用DSC、XRD、发光测试等对未掺杂氧化镱和掺杂氧化镱的尖晶石玻璃进行对比分析，掌握稀土离子Yb³ 掺杂到MgO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃中对该微晶玻璃的结构变化的影响，从而探讨尖晶石玻璃的析晶性能及光学性能的影响并掌握玻璃的析晶机理以及稀土离子的发光机理。研究结果表明：

1、在没有Yb₂O₃的掺入时，热处理后的尖晶石硅酸盐玻璃中形成纯的MgAl₂O₄晶体，但在加入5%的Yb₂O₃后，由XRD图谱显示，出现了新的衍射峰，且析出MgAl₂O₄的峰强度减弱，这证实了Yb³ 离子能够改变尖晶石硅酸盐玻璃的结构，防止尖晶石玻璃中MgAl₂O₄的纳米晶相析出。

2、将Yb³ 离子掺入MgAl₂O₄纳米晶体导致了随后的结构变化，导致尖晶石硅酸盐玻璃的光谱性能发生改变，使得掺有Yb³ 的尖晶石玻璃出现下转换发光现象，且920的晶化温度处理的玻璃，发光现象最明显。

3、随着热处理制度中晶化温度的升高，析晶峰的强度逐渐增强，在950晶化的未掺氧化镱样品析晶峰强度很低，试样中仍含有大量的玻璃相。与其他热处理制度相比，提高未掺氧化镱玻璃的晶化温度，衍射峰强度明显增强，峰形愈发尖锐，但析出的晶相未发生大的变化。

关键词： 氧化镱掺杂 ，MgO-Al₂O₃-SiO₂微晶玻璃 ，发光机理，析晶性能

Abstract

In this paper, yttrium oxide doped spinel glass-ceramics was prepared by melt method. The glass was formed by plate quenching. The samples were characterized by DSC, XRD, luminescence test and so on. Glass, and the effects of rare earth ions Yb³ doped into MgO-Al₂O₃-SiO₂ glass-ceramics on the structure change of the glass-ceramics were investigated. The effects of crystallization and optical properties of spinel glass were investigated. The crystallization mechanism and the luminescence mechanism of rare earth ions. Research indicates:

1, in the absence of Yb₂O₃ incorporation, after the heat treatment of spinel silicate glass to form pure MgAl₂O₄ crystal, but after adding 5% of Yb₂O₃, the XRD pattern shows a new diffraction peak, and precipitation MgAl₂O₄, which confirms that Yb³ ions can change the structure of spinel silicate glass and prevent the precipitation of MgAl₂O₄ in spinel glass.

2, the incorporation of Yb³ ions into MgAl₂O₄ nanocrystals leads to subsequent structural changes, leading to changes in the spectral properties of spinel silicate glasses, resulting in the presence of Yb³ spinel glass, and 920 ℃The crystallization temperature of the glass is the most obvious.

3, The strength of the crystallization peak increases with the increase of the crystallization temperature in the heat treatment system. The crystallization peak of the ytterbium oxide-doped yttrium oxide sample is very low at 950 ℃, and the sample still contains a large amount of glass phase. Compared with other heat treatment systems, the crystallization temperature, the diffraction peak intensity and the peak shape of the ytterbium oxide-free ytterbium oxide were improved, but the precipitated crystal phase did not change greatly.

Key Words：Ytterbium oxide, MgO-Al₂O₃-SiO₂ glass-ceramics, luminescence mechanism, crystallization performance

目 录

第1章 绪论 1

1.1前言 1

1.1.1微晶玻璃的概念结构与应用 2

1.1.2尖晶石微晶玻璃的结构 2

1.1.3尖晶石微晶玻璃的制备 3

1.1.4尖晶石微晶玻璃的优越性能 3

1.1.5稀土掺杂尖晶石硅酸盐玻璃的应用 3

1.2透明微晶玻璃的国内外研究现状 3

1.3研究的意义和内容 5

第2章 实验与测试 7

2.1实验原料 7

2.2实验设备与仪器 7

2.3实验步骤与技术路线 7

2.3.1实验步骤 7

2.3.2技术路线 8

2.4实验内容 10

2.4.1实验药品 10

2.4.2基础玻璃组分 10

2.4.3尖晶石硅酸盐玻璃的热处理过程 11

2.4.4尖晶石硅酸盐玻璃的抛光 12

2.5性能测试 12

2.5.1差热曲线测试 12

2.5.2微晶玻璃晶相测试 12

2.5.3发光性能测试 12

第3章实验结果与分析 13

3.1 差热曲线分析 13

3.2 微晶玻璃晶相分析 13

3.3光学性能分析 15

3.3.1吸收光谱 15

3.3.2荧光光谱 16

第4章 结论与展望 18

参考文献 20

第1章 绪论

• 1. 前言

随着生产力和科学技术的发展，人们对资源和环境的需求越来越大，而一些不可再生资源是越用越少，这使得全球不可再生能源日益短缺，而传统无机非金属材料有面临着产能过剩的风险，且单一无机非金属材料性能的局限性也限制了其应用范围，这导致了传统无机非金属材料已经不能够满足人们日益提高的物质需求，新材料的研究与应用已经成为一种不可避免的趋势，而作为新材料的一种，稀土掺杂尖晶石硅酸盐玻璃由于其具有良好的光谱性能，使得其称为当下研究热门，再加上我国稀土资源丰富，稀土品种繁多且存储量巨大，作为最大的稀土生产和贸易国，我们在世界上占有至关重要的位置^[1]。虽然稀土资源十分丰富，但是在生产技术和生产条件方面，我们还是落后于世界上许多发达国家。稀土掺杂的独特优势预示着其未来的良好前景，稀土掺杂的研究也必须放在新材料研究与开发的重要位置^[2]。稀土元素能够在光学、电学、磁学等领域有广泛地应用得益于稀土元素原子外层特殊的电子层结构，稀土元素具有能级相近的内层４f电子层^[3]。稀土掺杂材料是稀土元素的一种重要研究方向，我国从20世纪末就开始进行稀土掺杂的研究了，并取得了一定的研究成果，发现并非所有稀土元素都可以应用于硅酸盐玻璃的掺杂，17种稀土元素中也只有7种可以用于掺杂硅酸盐玻璃而具有广泛的应用前景^[4]。

锕系元素从La到Lu和同属IIIB族的元素Sc和Y，一共17种元素，统称为稀土元素。锕系元素是元素周期表中原子序数从57到71号共15种元素，它们分别是La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb和Lu。稀土元素的原子核外电子轨道处于未充满的状态，因而受到外界的屏蔽作用，具有丰富的电子能级和能级甬道，在外界激发条件下可以产生大量的激发跃迁和辐射跃迁，因而能广泛地应用于发光材料的制备与研究。氧化物中稀土元素一般都价离子的形式存在，在这17种稀土离子中，Pm³ 离子因为具有一定的放射性从而不适合用来进行实验室制样；Sc³ 、Y³ 、La³ 没有４f轨道，Lu³ 有充满的4f轨道，不易产生跃迁；Gd³ 的电子组态为较为稳定的半充满的4f⁷，难以产生４f跃迁，也不易产生激发和跃迁^[5]。剩下的12种稀土元素中Pr³ ，Nd³ ，Ho³ ，Er³ 离子吸收可见光而着色，剩下的几种元素若掺入硅酸盐玻璃中的量较少，则不会显现颜色，这样的特性使得剩下的几种元素Ce³ 、Tb³ 、Sm³ 、Dy³ 、Eu³ 、Tm³ 和Yb³ 有较好的应用前景^[6]。