CN102745901B - 一种逆磁性法拉第旋光玻璃的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种逆磁性法拉第旋光玻璃的制备方法，将Bi2O3，Li2O，B2O3，CsCl，Sb2O3和ZnO混合均匀后得配合料；将配合料的一半加入已经升温至550℃的刚玉坩埚中，升温至800℃后，将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，搅拌，再升温至850～950℃，保温后，再次搅拌，再次保温30min后，将玻璃液浇注于已预热至300℃的石墨磨具中成型；最后，将成型后的试样送入340℃的马弗炉中保温3h后得高掺量铯法拉第旋光玻璃。本发明通过高温熔融法制备高掺量铯法拉第旋光玻璃，所制备的法拉第磁光玻璃氯化铯含量高，产品质量稳定，法拉第效应明显，费尔德常数大，费尔德常数不随温度变化，试样在可见光范围内透光率高，试样化学稳定性优良。制备工艺操作过程简单，熔制温度低，成本低廉，节能环保，适于工业化生产。

Description

一种逆磁性法拉第旋光玻璃的制备方法
技术领域
本发明涉及一种旋光玻璃的制备方法，特别涉及一种逆磁性法拉第旋光玻璃的制备方法。
背景技术
磁光材料是磁光高科技领域中一种重要的高新技术密集产品的核心材料，主要包括磁光液体材料、磁光晶体材料和磁光玻璃材料。某些液体具有显著的磁致双折射效应，但是这些液体的科顿-蒙顿常数比其他光克尔常数小得多，实际上很少作为磁光介质来使用。磁光晶体具有突出的磁光效应，但晶体固有的缺陷，如不宜制成大体积块材、不能形成复杂的形状以及由于晶体的各向异性而产生双折射等，使其应用范围受到很大限制。磁光玻璃材料具有较强的磁光效应。其结构上常由未成对电子的重金属原子或有大的自旋和轨道磁矩的磁性分子组成。磁光玻璃材料分为逆磁性磁光玻璃材料和顺磁性磁光玻璃材料。与其他磁光材料相比，逆磁性磁光玻璃具有如下优势：①基质易于改变：玻璃成份可在很大范围内变动，加入不同种类和数量的重金属离子，为优化磁光性能提供了很好的前提；②各向同性：由于玻璃近程有序和远程无序的结构特点，易获得均匀、各向同性的玻璃介质；③易于制备和加工：应用成熟的光学玻璃工艺可以获得光学性能好、尺寸大、透光性能优异的磁光玻璃；④无温度效应，菲尔德常数不随温度的变化而变化，磁光效应稳定。
近年来，各国科研工作者对磁光玻璃材料进行了广泛而深入的研究，从揭示磁光效应的本质到寻求更大Verdet常数的新玻璃基体，均已取得了一定的成果。但是，从总体上看，磁光玻璃的发展仍存在以下问题：
（1）磁光玻璃Verdet常数不能满足市场需求：增大抗磁性离子在玻璃基体中的摩尔浓度可提高玻璃的Verdet常数，但抗磁性离子浓度的提高使玻璃的综合性能（如成玻性能、热稳性、化稳性等）下降；
（2）温度效应是阻碍磁玻璃应用发展的主要因素，开发费尔德常数不随温度变化、磁光效应稳定的磁光玻璃是当前的重要任务；
（3）由于费尔德常数的测量装置不够规范，各国制造的磁光玻璃费尔德常数没有一个统一的标准，而光学碱度与折射率和逆磁性有正相关关系，因此可采用光学碱度来衡量逆磁性磁光玻璃的逆磁性大小；
在外加磁场中，具有惰性气体电子层结构的离子显示出逆磁性。构成玻璃的网络形成体和网络外体离子都具有填满的电子层结构，因此在磁场中显示出逆磁性。玻璃中的离子具有大的离子半径和易极化的外层电子结构，以及具有s2→sp(包括1s0→1p1、3p1)电子跃迁模式，玻璃就有大的费尔德常数,因此在光学玻璃材料中有着广泛而重要的应用。随着信息技术、激光技术、电子技术和空间技术等的发展,各种光功能玻璃材料成为一个研究热点。国内外在研究磁光玻璃时，通常研究顺磁性磁光玻璃，但是顺磁性磁光玻璃的费尔德常数会随着温度的发生变化而变化，磁光效应不稳定。逆磁性磁光玻璃的费尔德常数不随温度变化，磁光效应稳定，但是Verdet常数较小，远远满足不了市场需求。有关逆磁性磁光玻璃的研究较主要以重火石玻璃为主，而关于重金属氧化物逆磁性磁光玻璃的研究较少。有关铯掺杂重金属逆磁性磁光玻璃的研究及应用未见报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种铯掺杂量高、配方组成少、透光率高、化学稳定性优良、费尔德常数不随温度变化的重金属逆磁性法拉第旋光玻璃的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1）首先，按照摩尔分数将30~70%的Bi2O3，10~25%的Li2O，10～50%的B2O3，5～25%的CsCl，0.1～1%的Sb2O3和0.5～1%的ZnO混合均匀后，形成配合料；
2）然后，将配合料的一半加入已经升温至550℃的刚玉坩埚中，通过10分钟升温至800℃，并保温20分钟；然后，将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，保温60min后，采用搅料棒对玻璃液搅拌，再通过10分钟升温至850～950℃，保温30min后，再次采用搅料棒对玻璃液搅拌，再次保温30min后，将玻璃液浇注于已预热至300℃的石墨磨具中成型；
3）最后，将成型后的试样送入340℃的马弗炉中保温3h；以0.5～1℃/分钟的速率，将试样冷却至室温即得高掺量铯法拉第旋光玻璃。
所述的B2O3由分析纯的硼酸引入，Bi2O3由分析纯的氧化铋或硝酸铋引入，Li2O由分析纯的碳酸锂引入，CsCl由分析纯的氯化铯引入，Sb2O3、ZnO分别由分析纯的氧化锑和氧化锌引入。
本发明通过高温熔融法制备高掺量铯法拉第旋光玻璃，所制备的法拉第磁光玻璃氯化铯含量高，产品质量稳定，法拉第效应明显，费尔德常数大，费尔德常数不随温度变化，试样在可见光范围内透光率高，试样化学稳定性优良。制备工艺操作过程简单，熔制温度低，成本低廉，节能环保，适于工业化生产。
附图说明
图1是实施例1制备的高掺量铯重金属法拉第旋光玻璃的透光率曲线图，其中横坐标为入射光波长，纵坐标为透光率。
图2是实施例1制备的高掺量铯重金属法拉第旋光玻璃的热膨胀曲线图，其中横坐标为试样温度，纵坐标为试样的伸长率。
具体实施方式
实施例1：1）首先，按照摩尔分数将30%的Bi2O3，10%的Li2O，50%的B2O3，8%的CsCl，1%的Sb2O3和1%的ZnO混合均匀后，形成配合料；
2）然后，将配合料的一半加入已经升温至550℃的刚玉坩埚中，通过10分钟升温至800℃，并保温20分钟；然后，将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，保温60min后，采用搅料棒对玻璃液搅拌，再通过10分钟升温至850℃，保温30min后，再次采用搅料棒对玻璃液搅拌，再次保温30min后，将玻璃液浇注于已预热至300℃的石墨磨具中成型；
3）最后，将成型后的试样送入340℃的马弗炉中保温3h；以0.5℃/分钟的速率，将试样冷却至室温即得高掺量铯法拉第旋光玻璃。
本发明的B2O3由分析纯的硼酸引入，Bi2O3由分析纯的氧化铋或硝酸铋引入，Li2O由分析纯的碳酸锂引入，CsCl由分析纯的氯化铯引入，Sb2O3、ZnO分别由分析纯的氧化锑和氧化锌引入。
通过WFC法拉第效应测试仪测试试样的费尔德常数为0.121min/Oe.cm，通过分光光度计测试试样的透光率曲线如图1所示，通过NETZSCH DIL 402PC测试样的线膨胀曲线如图2所示。
参见附图1，是所制备高掺量铯重金属法拉第旋光玻璃可见光范围内的透光率曲线，其中横坐标为入射光波长，纵坐标为透光率。由图1可以看出，所制备的高掺量铯重金属法拉第旋光玻璃，在800-900nm波长范围内，5.5mm厚的试样透光率大于70%；在700-800nm波长范围内，5.5mm厚的试样透光率接近70%。
参见附图2，是所制备高掺量铯重金属法拉第旋光玻璃，室温至440℃的热膨胀曲线图，其中横坐标为试样温度，纵坐标为试样的伸长率。由图2可以看出，所制备的高掺量铯法拉第旋光玻璃的线膨胀系数为9.245×10-6/℃，转变温度为395.3℃。
实施例2：实施例1：1）首先，按照摩尔分数将70%的Bi2O3，10%的Li2O，10%的B2O3，9.4%的CsCl，0.1%的Sb2O3和0.5%的ZnO混合均匀后，形成配合料；
2）然后，将配合料的一半加入已经升温至550℃的刚玉坩埚中，通过10分钟升温至800℃，并保温20分钟；然后，将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，保温60min后，采用搅料棒对玻璃液搅拌，再通过10分钟升温至900℃，保温30min后，再次采用搅料棒对玻璃液搅拌，再次保温30min后，将玻璃液浇注于已预热至300℃的石墨磨具中成型；
3）最后，将成型后的试样送入340℃的马弗炉中保温3h；以1℃/分钟的速率，将试样冷却至室温即得高掺量铯法拉第旋光玻璃。
通过WFC法拉第效应测试仪测试试样的费尔德常数为0.143min/Oe.cm。
实施例3：实施例1：1）首先，按照摩尔分数将40%的Bi2O3，25%的Li2O，20%的B2O3，14%的CsCl，0.5%的Sb2O3和0.5%的ZnO混合均匀后，形成配合料；
2）然后，将配合料的一半加入已经升温至550℃的刚玉坩埚中，通过10分钟升温至800℃，并保温20分钟；然后，将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，保温60min后，采用搅料棒对玻璃液搅拌，再通过10分钟升温至880℃，保温30min后，再次采用搅料棒对玻璃液搅拌，再次保温30min后，将玻璃液浇注于已预热至300℃的石墨磨具中成型；
3）最后，将成型后的试样送入340℃的马弗炉中保温3h；以0.5℃/分钟的速率，将试样冷却至室温即得高掺量铯法拉第旋光玻璃。
通过WFC法拉第效应测试仪测试试样的费尔德常数为0.158min/Oe.cm。
实施例4：实施例1：1）首先，按照摩尔分数将44%的Bi2O3，15%的Li2O，15%的B2O3，25%的CsCl，0.2%的Sb2O3和0.8%的ZnO混合均匀后，形成配合料；
2）然后，将配合料的一半加入已经升温至550℃的刚玉坩埚中，通过10分钟升温至800℃，并保温20分钟；然后，将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，保温60min后，采用搅料棒对玻璃液搅拌，再通过10分钟升温至950℃，保温30min后，再次采用搅料棒对玻璃液搅拌，再次保温30min后，将玻璃液浇注于已预热至300℃的石墨磨具中成型；
3）最后，将成型后的试样送入340℃的马弗炉中保温3h；以0.5℃/分钟的速率，将试样冷却至室温即得高掺量铯法拉第旋光玻璃。
通过WFC法拉第效应测试仪测试试样的费尔德常数为0.167min/Oe.cm。
实施例5：实施例1：1）首先，按照摩尔分数将44%的Bi2O3，20%的Li2O，30%的B2O3，5%的CsCl，0.3%的Sb2O3和0.7%的ZnO混合均匀后，形成配合料；
2）然后，将配合料的一半加入已经升温至550℃的刚玉坩埚中，通过10分钟升温至800℃，并保温20分钟；然后，将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，保温60min后，采用搅料棒对玻璃液搅拌，再通过10分钟升温至920℃，保温30min后，再次采用搅料棒对玻璃液搅拌，再次保温30min后，将玻璃液浇注于已预热至300℃的石墨磨具中成型；
3）最后，将成型后的试样送入340℃的马弗炉中保温3h；以1℃/分钟的速率，将试样冷却至室温即得高掺量铯法拉第旋光玻璃。
通过WFC法拉第效应测试仪测试试样的费尔德常数为0.192min/Oe.cm。
本发明通过高温熔融法制备了铯掺杂重金属逆磁性法拉第旋光玻璃，所制备的法拉第磁光玻璃氯化铯含量高，法拉第效应明显，费尔德常数大，费尔德常数不随温度变化，化学稳定性优良。所制备的铯掺杂重金属逆磁性法拉第旋光玻璃在700-800nm波长，以及800-900nm波长范围内具有选择性强，透光率高的显著特点，对于制备选择高性能磁光调制器、隔离器、光克尔快门、相移器、锁式开关、激光雷达、测距、光通信、激光陀螺和激光放大器等具有广阔的应用前景。因此，用该方法制备的铯掺杂重金属逆磁性法拉第旋光玻璃具有可观的经济和社会效益，应用前景十分广阔。

Claims (2)

1.一种逆磁性法拉第旋光玻璃的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）首先，按照摩尔分数将30～70%的Bi2O3，10～25%的Li2O，10～50%的B2O3，5～25%的CsCl，0.1～1%的Sb2O3和0.5～1%的ZnO混合均匀后，形成配合料；
2）然后，将配合料的一半加入已经升温至550℃的刚玉坩埚中，通过10分钟升温至800℃，并保温20分钟；然后，将剩余配合料再加入刚玉坩埚中，保温60min后，采用搅料棒对玻璃液搅拌，再通过10分钟升温至850～950℃，保温30min后，再次采用搅料棒对玻璃液搅拌，再次保温30min后，将玻璃液浇注于已预热至300℃的石墨磨具中成型；
3）最后，将成型后的试样送入340℃的马弗炉中保温3h；以0.5～1℃/分钟的速率，将试样冷却至室温即得高掺量铯的逆磁性法拉第旋光玻璃。
2.根据权利要求1所述的逆磁性法拉第旋光玻璃的制备方法，其特征在于：所述的B2O3由分析纯的硼酸引入，Bi2O3由分析纯的氧化铋或硝酸铋引入，Li2O由分析纯的碳酸锂引入，CsCl由分析纯的氯化铯引入，Sb2O3、ZnO分别由分析纯的氧化锑和氧化锌引入。
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