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材料
2014年第16期(45)卷
文章编号:1001-9731(2014)16-16018-04
离子交换对硼硅玻璃光学性能的影响
王衍行,何坤,祖成奎,张瑞,韩滨,陈江
(中国建筑材料科学研究总院石英与特种玻璃研究院,北京100024)
摘要:利用电子探针、分光光度计和千涉显微镜等
手段,研究了离子交换对硼硅玻璃光学性能的影响
实验
结果表明,离子交换后硼硅玻璃的K含量沿玻璃厚2.1样品制备
度方向逐渐降低。当交换时间≤8h时,交换层厚度与
实验用硼硅玻璃样品的名义组分为69.0SiO
交换时间呈线性増加;当交换时间>8h时,交换层厚17.0B2(3-5.0Al2O3-8.0Na2()-0.8K2()-0.2Sb2()
度増加缓慢。离子交换增强后,硼硅玻璃的透过率小
%,质量分数),原料均为对应的分析纯氧化物或碳酸
幅度下降,但仍保持在91%以上。离子交换后硼硅玻盐。将配合料按一定比例混合均匀,利用铂金坩埚在
璃中折射率从玻璃表面向内部呈指数降低,这与K
500~1540℃下熔制3~4h。将熔化澄清好的玻璃
离子在玻璃中的不均匀分布相关。综合考虑应用器件液浇注在预热的石墨模具上,待玻璃定型后将其立即
对强度和光学均匀性要求,硼硅玻璃的离子交换时间放入预先升温至520℃的马弗炉中进行退火、冷却,之
应不大于3h。
后经过磨抛和切割制成测试所需尺寸。
关键词:硼硅玻璃;离子交换;光学性能;透过率;折
以工业纯KNO3作为离子交换介质,同时添加
射率
0.5Al2O)3、0.5KOH与2.0K2CO)(%,质量分数)的
中图分类号:TQ171
文献标识码:A混合物,以提高交换效率2。将样品置于上述熔盐
DOI:10.3969/.issn.1001-9731.2014.16.004
中,在450℃下进行离子交换处理,然后依次经过去离
1引言
子水、无水乙醇清洗并烘下。
2性能测试
与钠钙硅玻璃相比,硼硅玻璃具有许多不可比拟
采用德国 NETZSCH STA449F3差示扫描量热
的性能,如较高抗热冲击、良好化学稳定性和优异光学仪(DSC)测试硼硅玻璃的转变温度T,升温速度为
性能等,被视为一种很有发展前景的光学玻璃材料,应20℃/min。利用日本EPMA-1600型电子探针(EP
用范围广泛,尤其是可作为透镜、视窗、保护基板和特MA)分析玻璃样品表面的K浓度,以确定交换层厚
种管材等服务于精密光电领域。然而,硼硅玻璃在度。将制备的硼硅玻璃加工成20mm×10mm
光电领域应用中经常面临力学性能差的问题。为拓展1mm的玻璃片,两大面进行抛光以供测试透过率,测
应用范围,实现多功能复合,提高砌硅玻璃强度成为当试仪器为 Carry100分光光度计。将硼硅玻璃抛光成
前研究焦点之一。
20mmX20mm×16mm的玻璃块,交换后,垂直于玻
目前,已报道的提高玻璃强度的方法主要有微晶璃块表面切下薄片,切面抛光,制成20mm×20mmX
化、层合、镀膜和离子交换等。其中,离子交换法是0.1mm的玻璃片,采用干涉显做镜测定其折射率分
种成熟、简单的玻璃表面处理方法,其原理是把玻璃布。按JC/T676-1997标准测试硼硅玻璃的抗弯强
浸入熔盐中,玻璃中的Na(或Li)与熔盐中的K发度。
生交换,玻璃表面产生压应力,抑制微裂纹扩展,可提
高玻璃强度2~4倍。有关硼硅玻璃的离子父换研究3结果与讨论
已有较多文献,主要集中于离子交换机理研究及其对
离子交换时间对交换层厚度的影响
玻璃蝨度和硬度的影响,而关于离子交换对硼硅玻璃
图1为硼硅玻璃的DSC曲线。可以看出,硼硅玻
光学性能的影响鲜见报道。为此,本文深入探讨璃的转变温度T。为502℃。一般认为,玻璃进行离
了离子交换对硼硅玻璃透过率和折射率的影响。
子交换的处理温度应低于其转变温度50℃左右。为
此,本文离子交换温度选取450℃。
基金项目:国家自然科学基金资助项日(60808024
收到初稿日期:2013-10-30
收到修改稿日期:2014-02-10
通讯作者:王.衍行,E-mail:drwangyh(9126.com
作者简介:王衍行(1975-),男,山东济宁人,高级工程师,博士、主要从事特种玻璃制备与性能研究。
干衍行等:离子交換对硼硅玻璃光学性能的影响
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0.8
s三
45
0,6
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工0.3
5
0,2
300400
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Temperatrue,
Exchange time/h
图1硼硅玻璃的DSC曲线
图3交换时间对瑚硅玻璃交换层厚度的影响
Fig 1 DSC curve of borosilicate glass
Fig 3 Effect of exchange time on thinness of exchange
在离子交换工艺中,交换层厚度对玻璃强度影响
layer of borosilicate glass
最为关键。影响玻璃交换层厚度的因素主要有离子交3.2离子交换时间对透过率的影响
换温度、吋间和熔盐配比等。在一定温度和配比熔盐
图4为离子交换时间对砌硅玻璃透过率的影响。
中,离子交换时问直接决定了交换层厚度。研究表明,可以看出,随着交换时间的延长,硼硅玻璃的透过率变
随着交换层厚度增加,玻璃强度并不是无限的增加。化幅度较小且较原片珱璃有所降低,但是仍保持在
在初始阶段,离子交换产生的应力积累占据主导,离子91%以上。K取代Na后,一方面,由于K半径
交换层厚度随着离子交换时间的延长而増加,表面压(0.138nm)大于Na-半径(0.102nm),玻璃表面结构
应力随之增加,从而提高了玻璃的抗折强度;然而,随更加紧凑,使得离子交换后硼硅玻璃的透过率降低;另
着交换时间的延长,离子交换产生的应力积累的主导
方面,离子交换后玻璃表面的粗糙度稍有降低,从而
地位逐渐被应力松弛所取代,玻璃强度开始下降。
减缓了透过率降低幅度
为了定量表征在特定熔盐配比和特定温度下,交
需要指出的是,由于熔盐中含有少量的K(OH.长
换时问与交换层厚度的关系,采用EPMA分析了硼硅时间离子交换将对玻璃表面产生侵蚀,出现白斑,降低
玻璃表而K'的交换情況。图2为交换时间对硼硅玻玻璃的透过性能。研究证实,KOH含最较低时,
璃表而K+分布的影响。可以看出,离子交换后硼硅KOH可去除玻璃表面的羟基层(=Si--(OH),破坏
玻璃的K+含量沿玻璃厚度方向逐渐降低,最终降为玻璃表面的网络结构,并利用OH减小NO3对K
原始玻璃的K含量(0.5%(质量分数))。
的牵制作用,促进K向玻璃内部扩散的作用2。在
本文中,经24h交换后,砌硅玻璃表面没有出现白斑,
表明KOH含量是合适的。
AW -VV-
90
m
图2交换时间对硼硅玻璃表面K分布的影响
Fig 2 Effect of cxchange time on content of K*in bo
81216
Exchange time/h
rosilicate glass surface
图4交换时间对瑚