用于激光防護的微晶玻璃及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于復合材料技術領域，具體涉及一種用于激光防護微晶玻璃材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]激光具有方向性好、亮度高、單色性好和高能量密度等特點。以激光器為基礎的激光工業在全球發展執著迅猛，現在已廣泛應用于工業生產、通訊、信息處理、醫療衛生、軍事、文化教育以及科研等方面。激光武器是一種利用定向發射的激光束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器。激光武器對人體與裝備構成了極大的威脅，眼睛是人體對激光最敏感的器官，由于眼對光的聚焦作用可使視網膜上能量密度增高15倍，因此低劑量照射就可引起視網膜的嚴重損傷而導致視力下降直至失明。如何進行有效的激光防護成為人們極為關注的問題。
[0003]現有的吸收型激光防護材料，通過吸收介質吸收入射激光使激光能量減弱，以達到防激光的目的。該防護材料有塑料型和玻璃型兩種。塑料型是在光學塑料中加入吸收激光的有機染料，優點是使光密度高、質輕、價格低、制備方便;缺點是易老化、表面硬度低、耐化學試劑性差、易發生光漂白。玻璃型是在玻璃熔煉過程中加入無機染料制成，它克服了塑料防護材料的缺點，但能吸收的波長很少，目前也有采用低溫熔煉的方法能夠使玻璃型同樣實現多波段防護。這兩種吸收式防護鏡的共同缺點是:由于吸收激光能量容易導致本身破壞;光的銳截止性能不好，導致可見光透過率不高，影響觀察。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對現有吸收型激光防護材料的不足，提供一種多波段激光防護微晶玻璃材料及其制備方法。
[0005]為達到上述目的，采用技術方案如下:
[0006]用于激光防護的微晶玻璃，其基礎玻璃的氧化組成為:Si02(54wt%-64wt%)，Al203(18wt%-22wt% ), Li20( 3wt % -5wt % ), Sr0( 3wt % -5wt % ) ,Mg0(3wt%-5wt% ) ,B2O3(0.5wt%-l.5wt% )，Na20(0.4wt%-0.8wt% ),T1O2(2wt %-3wt % ),Zr02(2wt %-3wt % )，Er203(2wt%-3wt% )，Bi2()3(0.5wt%-l.5wt% )，Co203(0.2wt %-0.4wt% )，Sb2C>3(0.1wt %-
0.3wt%);與之相對應所采用的原料分別為:二氧化硅、氧化鋁粉、碳酸鋰、碳酸鍶、碳酸鎂、硼酸、純堿、氧化鈦、氧化錯、氧化鉺、氧化祕、三氧化二鈷和三氧化二鋪。
[0007]按上述方案，優選的基礎玻璃的氧化組成為:Si02(54wt%)，Al203(22wt%)，Li20(4.3wt% )，Sr0(5wt% )，Mg0(5wt % )，Β2〇3( 1.5wt% )，Na20(0.4wt% )，Ti02(3wt % )，Zr02(2wt% )，Er2〇3(2wt% )，Bi2〇3(0.5wt% )，Co203(0.2wt% )，Sb2C>3(0.Iwt% )。
[0008]按上述方案，優選的基礎玻璃的氧化組成為:Si02(59wt%)，Al203(20wt%)，Li20(4wt % )，Sr0(3wt % )，Mg0(3wt % )，Β2〇3(0.5wt % )，Na20(0.5wt % )，TiC>2(2wt % )，Zr02(3wt% )，Er2〇3(3wt% )，Bi2〇3( I.5wt% )，Co203(0.3wt% )，Sb2C>3(0.2wt% )。
[0009]按上述方案，優選的基礎玻璃的氧化組成為:Si02(64Wt%)，Al203(18Wt%)，Li20(3wt % )，Sr0(3wt% ) ,Mg0(3wt% )，Β2〇3( Iwt % )，Na20(0.5wt % )，Ti02(2.5wt % )，Zr02(2wt% )，Er2〇3(2wt% )，Bi203(0.5wt% )，Co203(0.2wt% )，Sb203(0.3wt% )。
[0010]上述用于激光防護的微晶玻璃制備方法，包括以下步驟:
[0011]I)將原料混合得到玻璃配合料，在1580-1620°c熔化并保溫4-6h;在模具中澆鑄成型，放入馬弗爐中退火，退火溫度上下限為580-620 V ;得到退火玻璃板材；
[0012]2)將退火玻璃板材在馬弗爐中進行核化和晶化熱處理;從室溫直接升至所得玻璃Tg溫度以上50-80 0C進行核化，時間為4-6h;然后將溫度升溫至780-880 V進行晶化，時間為4-6h;冷卻降溫后即得用于激光防護的微晶玻璃。
[0013]微晶玻璃作為一類特殊的結構材料有許多非常優異的性能。高度晶化微晶玻璃的晶粒尺寸可以控制在幾十至幾百納米的范圍內，得到超細顆粒結構。在鋰鍶鋁硅透明微晶玻璃中，由于充分核化，基礎玻璃中形成大量的鈦酸鍶晶核，石英固溶體晶相在晶核上外延生長，形成平均晶粒尺寸約60nm均勻的超細顆粒結構。由于晶粒尺寸遠小于可見光波長，并且β-石英固溶體的雙折射率較低，該微晶玻璃透光率很高。更為關鍵的是在鋰鍶鋁硅透明微晶玻璃的組分中，通過添加氧化鉺、氧化鉍、氧化鈷可以控制玻璃對不同波段激光的吸收和是玻璃著色，從而使得該微晶玻璃材料具有激光防護能力。該制備技術可以制備不同規格尺寸的微晶玻璃材料用于人眼與裝備的防護。
[0014]相比現有的吸收型激光防護材料，本發明具有如下優勢:
[0015]本發明制備出的微晶玻璃中的主晶相為納米級的β-石英固溶體晶相，以及少量的納米級的鋰輝石微晶相，此激光防護微晶玻璃的膨脹系數范圍在0.5-5X10—6tC'低的膨脹系數使之具有非常好的抗熱沖擊和機械沖擊的性能。
[0016]本發明的納米微晶玻璃有一定的透明特點，微晶玻璃在300?100nm范圍內(除805?815nm、975?985nm)的多種激光波段處獲得特定的吸收能力，使得以上波段的激光透射率均低于20 %。
【附圖說明】
[0017]圖1:實施例1微晶玻璃在300?100nm范圍內的透過率曲線。
【具體實施方式】
[0018]以下實施例進一步闡釋本發明的技術方案，但不作為對本發明保護范圍的限制。
[0019]實施例1
[0020]本發明一種激光防護微晶玻璃材料及其制備方法如下:
[0021]a.基礎玻璃的氧化組成為:Si02(54wt%)，Al203(22wt%)，Li20(4.3wt%)，Sr0(5wt % )，Mg0(5wt % )，B2〇3( 1.5wt % )，Na20(0.4wt% )，Ti〇2(3wt % ), Zr02(2wt% )，Er2〇3(2wt% ) ,Bi203(0.5wt% ) ,Co203(0.2wt% ), Sb2O3 (0.1wt%)。與之相對應所采用的原料為化學純的化工原料，分別對應為:二氧化硅、氧化鋁粉、碳酸鋰、碳酸鍶、碳酸鎂、硼酸、純堿、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉺、氧化鉍、三氧化二鈷和三氧化二銻。
[0022]b.以上述化工原料進行玻璃配料，包括配料計算、稱量、混合等過程。
[0023]c.將玻璃配合料放入剛玉坩禍中，在硅鉬爐中進行熔化，溫度范圍為15800C，保溫4小時。熔化好的玻璃液在熱的石墨模具中澆鑄成板塊狀，然后放入馬弗爐中進行退火，退火溫度上下限為580-620°C。
[0024]d.將退火好的玻璃板材放入馬弗爐中，進行核化和晶化熱處理，即從室溫直接升至玻璃Tg溫度以上50 °C進行玻璃的核化，時間為6小時，然后將溫度升溫至780 0C進行晶化，時間為6小時。
[0025]e.經過熱處理，完成核化，晶化的過程后，微晶玻璃面板通過冷卻降至室溫后即得微晶玻璃，微晶玻璃中的主晶相為納米級的石英固溶體晶相，以及少量的納米級的鋰輝石微晶相，此激光防護微晶玻璃的膨脹系數范圍在5X10—
[0026]f.對所得到的微晶玻璃進行研磨、拋光，使其表面達到光學二級。
[0027]本實施例產品進行激光透過率測試，結果參照附圖1所示。在300?100nm范圍內(除805?815nm、975?985nm)的多種激光波段處獲得特定的吸收能力；且此波段的激光透射率均低于20%。可以很好地滿足人員、裝備對激光防護波長的不同需求。
[0028]實施例2
[0029]a.基礎玻璃的氧化組成為:Si02(59wt%)，Al203(20wt%)，Li20(4wt%)，SrO(3wt % )，Mg0(3wt % )，Β2〇3(0.5wt % )，Na20(0.5wt% )，Ti〇2(2wt % ),Zr02(3wt% )，Er2〇3(3wt % )，Bi 203 (I.5wt % )，Co2O3 (0.3wt % )，Sb2O3 (0.2wt%)。與之相對應所采用的原料為化學純的化工原料，分別對應為:二氧化硅、氧化鋁粉、碳酸鋰、碳酸鍶、碳酸鎂、硼酸、純堿、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉺、氧化鉍、三氧化二鈷和三氧化二銻。
[0030]b.以上述化工原料進行玻璃配料，包括配料計算、稱量、混合等過程。
[0031]C將玻璃配合料放入剛玉坩禍中，在硅鉬爐中進行熔化，溫度范圍為16000C，保溫5小時。熔化好的玻璃液在熱的石墨模具中澆鑄成板塊狀，然后放入馬弗爐中進行退火，退火溫度上下限為580-620°C。
[0032]d.將退火好的玻璃板材放入馬弗爐中，進行核化和晶化熱處理，即從室溫直接升至玻璃Tg溫度以上70 °C進行玻璃的核化，時間為5小時，然后將溫度升溫至830 0C進行晶化，時間為5小時。
[0033]e.經過熱處理，完成核化，晶化的過程后，微晶玻璃面板通過冷卻降至室溫后即得微晶玻璃，微晶玻璃中的主晶相為納米級的石英固溶體晶相，以及少量的納米級的鋰輝石微晶相，此激光防護微晶玻璃的膨脹系數范圍在2X10—
[0034]f.對所得到的微晶玻璃進行研磨、拋光，使其表面達到光學二級。可以使透明納米微晶玻璃在300?100nm范圍內(除805?815nm、975?985nm)的多種激光波段處獲得特定的吸收能力。以上波段的激光透射率均低于20%。可以很好地滿足人員、裝備對激光防護波長的不同需求。
[0035]實施例3
[0036]a.基礎玻璃的氧化組成為:Si02(64wt%)，Al203( 18wt%)，Li20(3wt%)，SrO(3wt % )，Mg0(3wt % )，B2〇3( Iwt % )，Na20(0.5wt % )，Ti02(2.5wt% ),Zr02(2wt% )，Er2〇3(2wt% ) ,Bi203(0.5wt% ) ,Co203(0.2wt% ), Sb2O3 (0.3wt%)。與之相對應所采用的原料為化學純的化工原料，分別對應為:二氧化硅、氧化鋁粉、碳酸鋰、碳酸鍶、碳酸鎂、硼酸、純堿、氧化鈦、氧化鋯、氧化鉺、氧化鉍、三氧化二鈷和三氧化二銻。
[0037]b.以上述化工原料進行玻璃配料，包括配料計算、稱量、混合等過程。
[0038]c.將玻璃配合料放入剛玉坩禍中，在硅鉬爐中進行熔化，溫度范圍為1620°C，保溫6小時。熔化好的玻璃液在熱的石墨模具中澆鑄成板塊狀，然后放入馬弗爐中進行退火，退火溫度上下限為580-620°C。
[0039]d.將退火好的玻璃板材放入馬弗爐中，進行核化和晶化熱處理，即從室溫直接升至玻璃Tg溫度以上80°C進行玻璃的核化，時間為4小時，然后將溫度升溫至880°C進行晶化，時間為6小時。
[0040]e.經過熱處理，完成核化，晶化的過程后，微晶玻璃面板通過冷卻降至室溫后即得微晶玻璃，微晶玻璃中的主晶相為納米級的石英固溶體晶相，以及少量的納米級的鋰輝石微晶相，此激光防護微晶玻璃的膨脹系數范圍在0.5 X 10—
[0041]f.對所得到的微晶玻璃進行研磨、拋光，使其表面達到光學二級。可以使透明納米微晶玻璃在300?100nm范圍內(除805?815nm、975?985nm)的多種激光波段處獲得特定的吸收能力。以上波段的激光透射率均低于20%。可以很好地滿足人員、裝備對激光防護波長的不同需求。
【主權項】
1.用于激光防護的微晶玻璃，其特征在于基礎玻璃的氧化組成為:3102(54^%-64wt% )，Α?2〇3( 18wt%-22wt% ) ,Li20(3wt%-5wt% )，SrO(3wt%-5wt% ) ,MgO(3wt%-5wt% ) ,B203(0.5wt%-l.5 wt % )，Na20(0.4wt % -0.8wt % ), Ti02(2wt%-3wt% )，Zr〇2(2wt%-3wt% ),Er203(2wt%-3wt% ) ,Bi203(0.5wt%-l.5wt% ),C02O3(0.2wt %-0.4wt % )，Sb203(0.1wt %-0.3wt % )；與之相對應所采用的原料分別為:二氧化娃、氧化招粉、碳酸鋰、碳酸鎖、碳酸鎂、硼酸、純堿、氧化鈦、氧化錯、氧化鉺、氧化祕、三氧化二鈷和三氧化二鋪。2.如權利要求1所述用于激光防護的微晶玻璃，其特征在于基礎玻璃的氧化組成為:Si〇2(54wt % )，Al2〇3(22wt % )，Li20(4.3wt% )，Sr0(5wt% )，Mg0(5wt % )，B2〇3( 1.5wt% )，Na20 (0.4wt % ) , T1O2 (3wt % ) , Zr02 ( 2wt % ) , Er203 ( 2wt % ) , B12O3 (0.5wt % ) , C02O3(0.2wt% )，Sb203(0.Iwt% )。3.如權利要求1所述用于激光防護的微晶玻璃，其特征在于基礎玻璃的氧化組成為:Si〇2(59wt% )，Al203(20wt% ) ,Li20(4wt% ), Sr0(3wt% ) ,Mg0(3wt% ) ,B203(0.5wt% )，Na2〇(0.5wt% )，Ti〇2(2wt % ),Zr02(3wt% )，Er2〇3(3wt % )，Bi2〇3( I.5wt% )，Co203(0.3wt% )，Sb203(0.2wt%)o4.如權利要求1所述用于激光防護的微晶玻璃，其特征在于基礎玻璃的氧化組成為:Si〇2(64wt% )，Α12〇3( 18wt% ) ,Li20(3wt% )，Sr0(3wt% ) ,Mg0(3wt% )，B2〇3( lwt% )，Na2〇(0.5wt%),Ti02(2.5wt%),Zr02(2wt%),Er203(2wt%),Bi203(0.5wt%),Co203(0.2wt%),Sb203(0.3wt%)o5.權利要求1-4任一項用于激光防護的微晶玻璃制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)將所述原料混合得到玻璃配合料，在1580-1620°C熔化并保溫4-6h;在模具中澆鑄成型，放入馬弗爐中退火，退火溫度上下限為580-620 V ;得到退火玻璃板材； 2)將退火玻璃板材在馬弗爐中進行核化和晶化熱處理;從室溫直接升至所得玻璃Tg溫度以上50-80 0C進行核化，時間為4-6h;然后將溫度升溫至780-880 V進行晶化，時間為4-6h;冷卻降溫后即制得用于激光防護的微晶玻璃。
【專利摘要】本發明公開了一種用于激光防護微晶玻璃材料及其制備方法。其基礎玻璃的氧化組成為：SiO2(54wt％?64wt％)，Al2O3(18wt％?22wt％)，Li2O(3wt％?5wt％)，SrO(3wt％?5wt％)，MgO(3wt％?5wt％)，B2O3(0.5wt％?1.5wt％)，Na2O(0.4wt％?0.8wt％)，TiO2(2wt％?3wt％)，ZrO2(2wt％?3wt％)，Er2O3(2wt％?3wt％)，Bi2O3(0.5wt％?1.5wt％)，Co2O3(0.2wt％?0.4wt％)，Sb2O3(0.1wt％?0.3wt％)；所得微晶玻璃在300～1000nm范圍內(除805～815nm、975～985nm)的多種激光波段處獲得特定的吸收能力，使得以上波段的激光透射率均低于20％。
【IPC分類】C03B19/02, C03C10/14
【公開號】CN105712633
【申請號】CN201610022496
【發明人】何峰, 謝峻林
【申請人】武漢理工大學