CN1735570A - 新型玻璃材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通式为axbygz的氮化物玻璃，其中a是一种至少包括一种正电性元素的玻璃改性剂，b包括Si，B，Ge，Ga和/或Al，g是N或者N和O，此时O∶N原子比在65∶35到0∶100之间，一种制备氮化物玻璃的方法以及这种玻璃的应用。结果清晰的表明，当用氮原子取代氧原子，强化了网络原子结构时，氧化物玻璃的物理和机械性能比如硬度，弹性模量，断裂韧性以及玻璃化转变温度得到了改良/提高。并且，结果表明可以得到非常高的折射率。

Description

新型玻璃材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种氮化物玻璃，一种制备该氮化物玻璃的方法以及这种玻璃的应用。
技术背景
因其高的化学和热稳定性以及优越的机械性能，氮化硅和sialon基材料被认为是可用在高温工程应用中的陶瓷。在这些体系中，自扩散过程相对较弱，它们需要一种氧化物烧结添加剂以提供液相烧结的条件。在烧结中，这种添加剂与在氮化硅颗粒表面的氧化硅发生反应，一些氮化物形成氧氮化物液体，其在冷却过程中转变为玻璃相。这种氧氮化物玻璃相的组成和体积分数强烈地影响这些材料的性能。
许多不同的研究者已对玻璃形成区域进行了研究。K.H.Jack在J.Mat.Sci.Rev.11(1976)1135-1158首先报导了存在sialon玻璃。T.H.Elmer和M.E.Nordberg在J.Amer.Cer.Soc.50(1967)275-279中通过在NH3气氛中加热熔体将氮引入到了高氧化硅的玻璃中。H.O.Mulfinger在J.Amer.Cer.Soc.49(1966)462-467中通过往合成混和物中加入Si3N4，制成了含氮的钠钙玻璃。Shillito等在Cer.Soc.63(1978)537中研究了氧化硅玻璃中氮的浓度对硬度性能的影响。表明，在氧化硅玻璃中引入N2会由于Si-N和Si-O键合强度的不同而影响材料的性能。
通过对Y-sialon玻璃和SiO2-Y2O3-Al2O3玻璃进行比较，可以看出在氧化硅玻璃中引入氮可以提高硬度，其中，氧原子被N3-部分代替。玻璃的硬度随氮含量的增加而提高。
R.E.Loehman在J.Non-Crys.Solids 56(1983)123-134中公开了将氧化物和氮化物的混和物熔融并淬火形成玻璃。通过往氧硅酸盐玻璃中引入氮，改良了许多材料性能，比如提高了玻璃化转变温度，硬度，断裂韧性，弹性模量和化学耐用性。
E.A.Dancy和D.Janssen在Canadian Metallurgical Quarter15[2](1976)103-110中进一步研究了氮在氧硅酸盐熔体中的溶解性，他们在1550℃使CaO-Al2O3-SiO2在1大气压的N2气中反应。用这种技术可以引入0.25-2.5wt％数量的氮，而通过在此熔体中溶解固态Si3N4，引入的氮高达4wt％。熔体中的氮含量有可能是由于在N2分子中强的更有利的三键。
Jack等公开了在氮化硼坩埚中于1700℃下，在氮气氛中对14Y2O3-59SiO2-27AlN混和物进行无压热处理得到的氧氮化物玻璃的块体样品。发现该样品的折射率为1.76，氮含量为9at％，对应于O∶N比率为86∶14。
硅酸盐玻璃通常由氧硅酸盐制成。纯氧硅酸盐中具有可能的最高紧密度(condensation degree)的是SiO2，其中每个氧原子与两个硅原子配位。用纯的SiO2可以制成玻璃。
这种玻璃被发现具有许多优越的物理性能，比如高熔点，好的机械性能和紫外光透过率。然而，要形成SiO2玻璃需要高的合成温度。为了降低熔融温度和制造成本，要往SiO2中加入不同浓度的玻璃改性剂，比如Na+，K+和Ba2+。引入玻璃改性剂，会使SiO2的网络结构部分破坏，一些氧原子会因此只连接到一个硅原子上。只连接到一个硅原子上的氧原子叫作端原子(apex atom)，连接到两个硅原子上的氧原子叫作桥接原子。当SiO4四面体中只有四分之一的氧原子是端原子时，才能保持玻璃中的三维Si-O网络。要得到三维网络，至少必须有三个氧原子是桥接在两个硅原子之间的。
这种紧密度的限制使得只有在SiO2-MxSiO2.5的组分范围之内，才有可能形成氧硅酸盐玻璃。所以，玻璃改性剂的最高浓度，对于例如Na+和K+的一价阳离子只能是x＝1.0，对于例如Ba2+和Pb2+的二价阳离子只能是x＝0.5，对于例如La3+和Y3+的三价阳离子只能是x＝0.333，对于例如Th4+的四价阳离子只能是x＝0.25。
将氮引入到玻璃化学组成中的概念以前已经被用到了sialon玻璃中。通过淬火高温得到的M-Si-Al-O-N熔体，得到了含玻璃改性剂，比如La3+和Y3+的sialon玻璃相。N.K.Schneider，H.Lemercier和S.Hampshire在Materials Science Forum，325-326(2000)265-270中描述了用Ln(镧系元素)作玻璃改性剂时，镧系元素含量和氮含量的组成极限在组成La5Si10Al5O27.5N5中达到。这一组成给出了在大气压力下，在氮化物基玻璃中曾得到的最高的镧和氮含量。那么，用原子百分比给出的阳离子组成是La：25％，Si：50％和Al：25％，以相同的方式给出的阴离子组成为O：84.2％和N：15.8％。用来制备这些玻璃的合成技术限制了氮的含量和玻璃改性剂(在上面提到的例子中是镧)的含量。
因此，目前提供的玻璃材料具有的氮含量，相应于O∶N比率为84.2∶15.8。然而，由于不仅仅是各种光学，陶瓷和涂层技术应用的要求不断增加，而且在其它方面对具有更高强度和更好物理性能的新型玻璃材料的要求也在不断增加，提供具有更好性能的新型材料将极有优势。
A.Makishima，M.Mitomo，H.Tanaka，N.Ii和M.Tsutsumi在Yogyo-Kyokai-Shi 88[11](1980)701中已经公开了一种镧和氮含量更高的氧氮化物玻璃，其只可能在高的氮气压力(30个大气压)下合成。已经报导的这种玻璃的组成是La19.3Si20.0O42.5N18.2，相应于La∶Si比率为49∶51，O∶N比率为70∶30。
W.Schnick等在Chem.9(1999)289中介绍了一种将氮引入到硅酸盐化学组合物中的途径，但该途径不是N2气与硅酸盐熔体的明显反应，用于合成晶态氮硅酸盐，氧氮硅酸盐和氧氮铝硅酸盐，即，非玻璃材料，包括在射频炉中采用正电性的金属和硅二酰亚胺(Si(NH)2)。因此，上述合成路径只能用来制备晶态相。
上述玻璃材料在化学组成上对氮含量和玻璃改性剂浓度都有一定的限制。该材料的化学组成是决定其物理性能的关键因素，因此，也决定了应用的不同可能。
目前，含氮玻璃的一个问题是需要比目前已知的玻璃物理性能更好的玻璃。没有可以提高玻璃中的氮含量，并由此试图提高性能的已知方法。Makishima等的方法得到了已知的最高的氮含量，但这种方法的缺点是需要复杂的设备，价钱昂贵。
发明简述
本发明的目的是提供一种新型的玻璃材料，以及一种它的制造方法，并由此解决上面提出的问题，满足在这点上的需要。
本发明针对的是克服上面提到的问题。这通过用正电性元素(处于金属状态，作为氮化物，或者任何当在氮气中加热时可以转变成金属态或者氮化物的其它化合物)优选与氮化硅和氧化硅一起制备氮化物玻璃来实现。
在第一个方面，本发明涉及一种氮化物玻璃。这种新型的玻璃材料表现出明显令人惊异的出色性能，比如极高的折射率和非常好的硬度值。
在第二个方面，本发明涉及一种制备氮化物玻璃的方法，在合成过程中不使用高的氮气压力。提供一种制造氮化物玻璃的方法，其中，与已知的制造玻璃材料的方法相比，可以提高氮的含量。O∶N原子比率在65∶35至0∶100之间。
在第三个方面，本发明涉及氮化物玻璃在几种不同应用中的使用，例如，在表面涂层中用来提高物品(比如眼镜)的机械性能；手表中，和在不同的陶瓷上用作釉；用在人造宝石中；用在光纤和其它光学数据传输元件中；用在光学器件，比如光学透镜中；用在陶瓷烧结的烧结添加剂中；用在生物陶瓷，比如植入物中；用在磁光器件中，其中玻璃改性剂至少是一种磁性元素，比如Dy，Nd，Sm，Nb或者Pr，以及CD和/或DVD器件的部件中。
这样，由于本发明的玻璃中高的氮含量，提供了独特的改良的机械性能，比如高的硬度值，高的熔点和改良了的物理性能，比如高折射率。而且，通过用磁性f-元素作玻璃改性剂，由此可得到高浓度的磁性离子，可以制得强顺磁性的玻璃。
发明详述
在第一个方面，本发明涉及一种通式为αxβyγz的氮化物玻璃，其中
α至少是一种选自碱性金属Na，K和Rb，碱土金属Be，Mg，Ca，Sr和Ba，过渡金属Zr，Hf，Nb，Ta，W，Mo，Cr，Fe，Co，Ni，Zn，Sc，Y和La，主族元素Pb，Bi以及f元素Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Th，Pa和U中的正电性元素；
β选自Si，B，Ge，Ga和Al；以及
γ是N或者N和O，氮含量按O∶N原子比率给出，高于65∶35。
O∶N原子比率优选的高于65∶35，更优选的高于41∶59，最优选的高于20∶80。
一个优选的实施方案是，α是La，β含Si，O∶N原子比率在65∶35至0∶100之间。
在第二个方面，本发明涉及一种制备这种氮化物玻璃的方法，包括步骤
a)通过使用作为纯金属和/或者相应的金属氮化物或者金属氢化物或者任何其它的在合成过程中在氮气氛中转变成相应的氮化物的化合物的α，将对应于所希望组成的化学试剂混和；
b)将所述化合物在氮气存在下至少加热到1000℃，由此得到熔体；
c)保持步骤b)中的温度，直到混和的化合物形成了均匀的熔体；
d)将此熔体冷却到低于玻璃化转变温度的温度，所采用的冷却速度要足够得到玻璃相。
为了避免玻璃样品的解离或者氧化，在样品的温度高于1000℃时要一直存在氮气。在步骤b中，加热的过程从1秒钟到60小时。
在步骤c中，温度要保持到直到达到平衡，优选的在4到24小时之间。该时间依赖于不同的参数，比如在工艺中所采用的炉子和样品的组成。
步骤b和c中的合成温度，或者熔融温度，依赖于熔体的组成，优选高于1500℃，更优选的高于1800℃。甚至还可使用更高的温度。
在这种依据本发明的制备氮化物玻璃的方法中可以采用标准炉。然而，重要的是该炉子要能在从室温到2000℃的温度下操作。在下面给出的实施例中，采用的是一种石墨炉。也可以使用其它的可在氮气氛中得到相同高温，并可对样品进行淬火的炉子。
技术人员知道由于熔体的温度可高于1500℃而要选用何种类型的坩埚材料。坩埚所用的材料至少要在高于依赖于玻璃的所用的合成温度的温度下，对熔体应该是惰性的。因此，在本方法中所用的化合物应该放在用例如铌，钨，钼，钽或者氮化硼的材料制成的坩埚中。可能使用这些材料是因为它们熔点高，并且对在合成路线中形成的熔融样品是相当惰性的。到目前为止，本发明人已经尝试了铌，钨，钼和钽以及氮化硼。当用BN时，在熔体和坩埚之间观察到了小的反应。这同时表明BN会被引入到氮化物基玻璃中。
可以用这种新的合成方法制备化学组成变化很大的各种新型氮化物玻璃。α是玻璃改性剂，或者是不包括在网络结构中的元素，β是与阴离子γ一起形成网络结构的阳离子。α∶β的比率依赖于组成在30∶70到60∶40之间，优选的在51∶49到60∶40之间。β∶γ的比率在33∶67到22∶88之间，O∶N原子比率在84∶16到0∶100之间，优选的在65∶35到0∶100之间。当α是La时，O∶N原子比率在65∶35到0∶100之间。
可以作为γ原子的阴离子为O2-和N3-。C4-阴离子也可以与N3-或者O2-和N3-的混合物混和在一起作γ原子。
依据本发明的玻璃具有的硬度值高于5Gpa，优选的高于9.9Gpa，更优选的高于12.3Gpa。
所得到的所有玻璃的硬度值都高于5.0Gpa，所得到的最高硬度值是13.0Gpa。作为一个例子，一种组成为La4.8Si5.2O5.6N8.0的材料所表现出的硬度值高于10.6Gpa。通过热处理释放淬火玻璃的内部应力或者通过优化化学组成，可以进一步提高硬度。
依据本发明的玻璃具有的折射率大于1.4，优选的大于1.9，更优选的大于2.2。而在本发明的玻璃材料中观察到了对硅酸盐玻璃迄今公开的最高折射率。依据本发明所得到的玻璃具有的折射率大于1.4，至少有一种组成为La4.8Si5.2O5.6N8.0的玻璃表现出的折射率为2.20。通过优化化学组成，特别是针对玻璃改性剂，可以进一步提高折射率。
可以得到磁性或者磁光性质的玻璃，其中，玻璃改性剂，α，是一种磁性元素，比如Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Pa，U和Mn。通过在合成中使用这些元素，将已知具有强顺磁场的元素引入到依据本发明的玻璃中。在实施例3中，描述了含有磁性元素的那些氧氮化物玻璃之一的合成和分析，样品的组成为Sm5.8Si4.2O6.0N7.4。
例如硅，铝和硼的元素与氧和氮一起形成玻璃的网络结构。其它通常具有更大的离子半径和更多配位数的元素称为玻璃改性剂。在氧硅酸盐玻璃中通常用作玻璃改性剂的元素是钠，锂，钾，钙，锶，钡，镧系元素，铅，铋和锡。在氮化物基玻璃中，最适合用作玻璃改性剂的元素是碱金属，碱土金属，稀土金属和某些情况下的过渡金属。
使一些玻璃改性剂比其它的玻璃改性剂更合适的另一个原因是它们在较高温度下的蒸汽压。如果用碱金属比如Na，K和Rb作玻璃改性剂，由于碱金属会蒸发，优选的要使该玻璃改性剂过量，并且/或者为了防止碱金属可能的蒸发而应用更高的氮气压。碱金属的蒸汽压随着原子序数的降低而降低。
本发明的一个进一步的方面是一种氮化物玻璃，其具有依据本发明的第二个方面的磁性和/或磁光性质。其中，玻璃改性剂，α，至少是一种磁性元素，比如Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Pa和U。
用α金属，Si3N4，SiO2，AlN和BN的混和物合成富氮的硅酸盐玻璃。在合成过程中采用的金属是正电性的，与所用N2反应形成氮化物。例如Ba这样元素，可能转变成不同的氮化物和亚氮化物，绝大多数的稀土金属转变成LnN化学计量化合物。
β原子在步骤a)中以氮化物和氧化物比如Si3N4，SiO2，AlN和BN形式的化合物引入到混和物中。Si基的可以是Si3N4，Si(NH)2，Si，SiO2以及其它的在N2气氛中在低于1600℃的温度下转变成Si3N4的Si基化合物。Al基的可以是AlN，Al2O3，Al以及其它的在N2气氛中在低于1600℃的温度下反应形成AlN的Al基化合物。B基的可以是BN，单质B，B2O3，H2B2O3以及其它的在低于1600℃的温度下转变成BN的B基化合物。γ原子也可以以上述化合物的氮化物和/或氧化物的形式加入到混和物中。进一步的，γ也可以以N2气的形式加入到混和物中。
任何正电性的元素都可用作玻璃改性剂，α优选的选自Be，Na，K，Rb，Zr，Hf，Nb，Ta，W，Mo，Cr，Fe，Co，Ni，Zn，Pb，Bi，Lu，Mg，Y，Sc，Nd，Gd，Eu，Er，Tb，Tm，Dy，Yb，Th，Pa，U，Ca，Sr，Ba，La，Pr，Ce，Sm，Mn和Ho。进一步的，α更优选的选自Lu，Mg，Y，Sc，Nd，Gd，Eu，Eu，Tb，Tm，Dy，Yb，Th，Pa，U，Ca，Sr，Ba，La，Pr，Ce，Sm，Mn和Ho。而进一步的，α最优选的选自Ca，Sr，Ba，La，Pr，Ce，Sm，Mn。
上述元素可以在合成中用作一种正电性金属，或者包含正电性金属的氮化物，或者包含正电性元素的、当在氮气氛中加热时可以转变成为金属态或者氮化物的化合物。这意味着La可以以LaN的方式加入。这些前体材料的例子是La金属，Ba金属，NdN，CaH2等。
α原子通常以它们的金属形式引入，其在N2气氛中转变成氮化物。γ是玻璃网络中的阴离子，是氮或者氮和氧，其组成由起初所采用的化学组成决定。
在高温下，在氮气氛中加热包括正电性金属，主族元素氮化物，和/或氧化物的组合物，可得到一种具有特定化学组成的熔体，即正电性金属被N2分子氧化，与主族元素氮化物和/或氧化物反应，最终得到一种氮化物或者氧氮化物熔体。这种熔体包括玻璃改性剂的阳离子，例如Ba2+，La3+，Sm3+，Gd3+，Dy3+和由Si(O，N)4四面体，Al(O，N)4四面体和B(O，N)3三角(trigonal)构块依赖于所用初始混和物的组成按不同比率构成的网络结构。有理由假设阴离子(O，N)是端原子X[1](与一个Si原子键合)或者桥接原子X[2](与两个Si原子键合)，在某些情况下，它们是孤立的离子X[0](与Si原子没有键合)，只与玻璃改性剂离子有化学键。
可以通过尝试不同的合成参数，比如时间和温度来分析合成机制。合成工艺的第一个部分是可用作玻璃改性剂的正电性金属α依据下式的氮化，这里α是La：
该反应发生的温度远低于1000℃，原则上讲是在这些低温下发生的唯一反应。在更高的温度，一般高于1500℃，LaN开始与Si3N4和SiO2发生反应，这依赖于合成混和物，在特定的温度下形成一种熔体。一旦有部分熔体形成，反应动力就会显著增加，熔体继续溶解相当惰性的氮化物，例如Si3N4，AlN和BN。在此阶段，合成混和物形成了一种完全的熔体，熔体的组成决定了粘度和熔体的结构，熔体的结构对于玻璃化转变温度和为得到非晶固态所需要的冷却速度是重要的。
现在，可将熔体淬火到低于玻璃化转变温度的温度。淬火可以通过许多不同的方式进行。一种方式是将熔融样品转到一个较冷的腔室中，而将熔融样品泼到冷的金属表面，比如水冷铜板上可以得到有效得多的冷却速度。为了释放在淬火样品中可能存在的内部应力，可以在低于玻璃化转变温度的温度下对玻璃进行热处理。这种热处理可以提供更好的机械性能。
所得到的玻璃材料依赖于玻璃的组成表现出很好的热稳定性，在高达1000-1500℃的温度下都是稳定的。这种玻璃材料的结晶过程一般从约1200℃开始。
在本发明中，为了避免对空气和湿气敏感的化学试剂比如Ln-金属的氧化，将这些化学试剂储藏在充满氩气的手套箱中，并在其中混和。每次合成时，在手套箱中将这些化学试剂称重，混和，研磨，然后转移到一个自制的铌坩埚中，然后用气密性的塑料帕拉胶膜(para-film)密封。也可以使用许多其它的对所形成的熔体和所用的前体材料是惰性的的坩埚。将装满后的铌坩埚转移到石墨炉中进行合成。石墨炉有两个室，上部的室是进行合成的炉子的热的部分，炉子的下部是较冷的部分，样品降到这里以将体系淬火到较低温度使氧氮化物熔体快速固化。在启动加热程序之前，一般用氮气将炉子冲洗三次。合成总是在氮气气氛中进行。将样品加热到所希望的温度，可能需要1秒至60小时，一般为2-4小时，为了实现完全反应，使包括的所有化学试剂都溶解在熔体中，要在平台处保持1秒至60小时，一般为4-24小时。当快速加热粉末样品直到获得熔体时，可以实现短的时间，例如将高度均匀的粉末样品倾倒通过炉子的热区，由此得到熔体，其在炉子的较冷部分快速冷却成玻璃相。最后，将炉子关闭，将样品降到炉子的较冷部分。当达到室温时，将样品与炉子中取出。将铌坩埚与固化了的样品分离，玻璃样品可用来作不同的分析。对于上述合成目的，也可以采用其它的能够提供在室温到大约2000℃之间的温度，并可同时使用N2气的炉子。可以将样品淬火到低于玻璃化转变温度，也是可用于本发明玻璃的合成中的炉子的一个重要特征。
可以用来合成氮化物玻璃的化学试剂的例子是Si3N4，SiO2，AlN，Al2O3，BN，B2O3和金属，比如稀土金属，碱金属和碱土金属。这些前体材料可以以多种方式改变。最重要的事情是得到在较高温度下当熔体形成时在反应中所需要的氮化物。目的是得到在最终熔体中的正确的氧/氮组成，最终熔体经淬火形成玻璃相。
一种特别优选的玻璃是α包括La，β包括Si。
在第三个方面，本发明的玻璃材料可以用在各种的应用中。
本发明的第三个方面的第一个实施方案是一种表面涂层，其在物品，比如眼镜，手表上提供改良的机械性能，以及在不同的陶瓷上作具有所希望颜色的釉质。
本发明的第三个方面的第二个实施方案是作为人造宝石。高折射率结合采用不同f-元素带来的玻璃材料的可能着色，加上好的机械性能使得这种新型的玻璃是用作人造宝石的一种好材料。
本发明的第三个方面的第三个实施方案是作为磁光器件，其中A至少是一种磁性元素，比如Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Pa，U和Mn。高浓度的强磁性元素使得这种新型玻璃非常适合用作用于CD和/或DVD技术中的磁光元件。Verdet系数是确定法拉第旋转或者磁光效应的参数，磁光效应是当材料暴露在一个外加磁场中时，通过材料的偏振光面的旋转。玻璃的Verdet系数随不同的稀土离子混和物的浓度成线性变化，由于与传统的氧硅酸盐玻璃相比，可向这种新型玻璃中引入了浓度高得多的稀土离子，这种含磁性稀土离子的玻璃的Verdet常数大得多。
本发明的第三个方面的第四个实施方案是作光纤和其它的光数据传输元件。这可由于该新型玻璃中高达2.20的高折射率而得到。
本发明的第三个方面的第五个实施方案是作为光学器件，比如光学透镜。制造光学透镜所希望的最重要的物理性能之一是高折射率。该新型玻璃化合物具有对硅酸盐玻璃曾观察到的最高折射率(n＝2.20)。在普通的氧硅酸盐中，折射率的值一般为n≈1.4。本发明的玻璃的极高的折射率可能是由于高浓度的高度可极化的离子，比如La3+和/或Ba2+，这通过本新型的合成步骤很容易得到。
本发明的第三个方面的第六个实施方案是作为陶瓷烧结的烧结添加剂。在sialon晶界处发现的玻璃的性能是决定陶瓷机械性能的关键。由于这种新型玻璃拥有好的机械性能比如高硬度和高的热稳定性，这将有利于用作sialon和其它的氮化物以及氧氮化物的烧结添加剂。
本发明的第三个方面的第七个实施方案是作为生物陶瓷，比如植入物的用途。这种新型玻璃可与其它化合物一起用在复合材料中，在不同的移植中用作生物陶瓷。其由于低的化学活性和好的机械性能而是有利的。
实施例
下面，通过实施例对本发明作更加详细的描述，这些实施例只是起到说明的目的，而不限制本发明的范围。
用扫描电镜对样品进行检测，并结合EDX分析，X光粉末衍射确定样品的非晶态，压痕实验测量硬度，通过测量布鲁斯特角(Brewsterangle)确定折射率，对氧和氮含量进行化学分析，以及确定氧化行为和磁化率。
将要在电镜中分析的样品固定在酚醛塑料里，抛光，并涂覆碳以防止局部放电。用装有一个LINK AN10000 EDX分析***的JEOL JSM820分析显微结构和金属组成。
用采用CuKα放射源的Huber Guinier 670 X光聚焦照相机检测在玻璃样品中是否存在晶体相。XRPD图谱的收集范围为2θ在4-100°，步长为0.005°。粉末样品固定在一条纱带(Spinning tape)上。
用维氏硬度测量方法分析这些新型玻璃材料的硬度。采用的是一种金字塔形金刚石压头，应用载荷1000克。对每个样品进行3到5次压痕。之后用光学显微镜检测样品，测量出压痕的对角线的长度。利用每次压痕的平均对角线长度，采用如下公式计算出维氏硬度：
Hv＝(1854kgf.μm2/gf.mm2)F/d2
其中，F是测试载荷，单位克，d是压痕的平均对角线长度，单位微米。测试载荷1000克，压痕平均对角线长度40μm，将得到的硬度值Hv＝1159kgf/mm2。维氏硬度可以通过下面的公式换算成SI单位制：
H＝Hvkgf/mm2[(9.807N/kgf)/(10-6m2/mm2)]
其中，H是硬度，单位Pa。
用Leco检测仪(TV-436DR)化学分析设备分析氧/氮的含量。用燃烧技术分析玻璃样品。加热在石墨坩埚中的样品，氧和氮原子会以气态的形式从样品中释放出来。氧原子会与石墨坩埚反应形成二氧化碳，可以通过红外吸收进行分析。氮原子以N2分子的形式放出，可以通过测量热导率进行分析。
非晶材料的最重要的性能之一是光可以通过该固态传播，在两种不同的介质之间，光的方向会改变。这些性质可以由在特定波长下的材料的折射率来确定。折射率可以通过不同的方法测量。对于这些玻璃来讲，采用的技术是测量布鲁斯特角。当发生最大偏振时，入射和反射光之间的夹角称为布鲁斯特角，或者偏振角αB。布鲁斯特角和折射率之间的关系由此式给出：
tan(αB)＝n
其中n是折射率。
实施例1组成为La4.8Si5.2O5.6N8.0的氧氮化物玻璃的合成以及它的光学和机械性能
在一个充满氩气的手套箱中，将La金属，SiO2和Si3N4的混和物称重，并小心研磨。所用的该混和物的组成为615.4mg的La，177.4mg的SiO2和207.2mg的Si3N4。将研磨好的混和物转移到一个一端密封的铌管中。然后用帕拉胶膜将该铌管盖好，以防止在转移到石墨炉中时，La金属被空气氧化。用氮气将炉子冲洗三次，然后启动加热程序。用2个小时将样品从室温加热到1750℃，并在此温度下保持22小时，最后将样品降到炉子的冷部分进行淬火。在炉温降低到了室温之后，将样品从炉腔中取出。
用所得玻璃样品的5mm的大件进行EDX分析，以及测量折射率和硬度。对一个抛光并镀碳的表面进行EDX分析，得到的金属组成为48(±1标准偏差)at％La和52(±1标准偏差)at％Si。该结果表明在合成过程中，由于相对较高的温度和长的淬火时间，硅有小量损耗。发现O∶N组成为41∶59，结合EDX分析给出整个的化学组成为La4.8Si5.2O5.6N8.0。扫描电镜照片和X光粉末衍射实验都表明，样品是均匀的玻璃，没有任何的结晶相。
由测得的65.6°的布鲁斯特角计算得到的折射率为n＝2.20(7)。这一极高的折射率值是硅酸盐基玻璃已经发现的最大值。进行硬度测试的压痕实验给出的结果为，上述样品的硬度值是10.6Gpa。
实施例2，组成为La4.6Si3.3Al2.2O9.3N5.0的氧氮铝硅酸盐玻璃的合成以及它的光学和机械性能
组成为La4.6Si3.3Al2.2O9.3N5.0的玻璃样品这样合成：在一个充满氩气的手套箱中，将787.6mg的La金属，360.5mg的SiO2，122.9mg的AlN和46.8mg的Si3N4充分混和。然后将反应混和物转移到一个一端密封的铌管中，其用帕拉胶膜盖好，以防止在转移到石墨炉中进行加热处理时，La金属被空气氧化。
在进行加热处理之前，用氮气将炉子冲洗三次。用2个小时将样品从室温加热到1750℃，并在此温度下保持30个小时，然后将样品降到石墨炉的冷室中进行淬火。在炉温降到室温之后，将所得玻璃样品从石墨炉中取出，并切成约5mm的大件，以进行进一步的抛光，用于不同的分析目的。
扫描电镜照片和X光粉末衍射图谱清楚地表明，样品是均匀的玻璃，没有任何结晶相的痕迹。对一个镀碳的抛光表面进行EDX分析，给出如下的金属组成：46(±1标准偏差)at％La，33(±1标准偏差)at％Si和22(±1标准偏差)at％Al。发现O∶N组成为65∶35，结合金属组成一起给出的化学计量比为La4.6Si3.3Al2.2O9.3N5.0。通过测量布鲁斯特角计算得到的折射率为n＝1.95(2)，相应于布鲁斯特角为62.8°。压痕实验得到的硬度值为10.3Gpa。
实施例3，组成为Sm5.8Si4.2O6.0N7.4的氧氮化物玻璃的合成以及它的光学，机械和磁性能
1.0克混和物批料，包括Sm，Si3N4(SiN4/3)和SiO2，摩尔比为Sm∶SiN4/3∶SiO2＝7.33∶5∶5。将此混和物在一个充满氩气的手套箱中充分研磨，转移到一个一端密封的铌管中，然后在石墨炉中在氮气氛中进行加热处理。用2个小时将此混和物加热到1750℃，并在此温度下保持22小时，然后通过将样品降到石墨炉的冷室中，淬火到低于玻璃化转变温度的温度。当其降低到室温时，将样品从炉子中取出，切成5mm的大件用于不同的分析。
扫描电镜照片和X光粉末衍射图谱清楚地表明，样品是均匀的玻璃，没有任何结晶相的痕迹。对镀碳的抛光表面进行EDX分析，给出如下的金属组成：58(±1sdv)at％Sm和42(±1sdv)at％Si。假设O∶N组成与相应的含镧玻璃的相同，O∶N比将为45∶55。O∶N组成结合金属组成一起给出的化学计量比为Sm5.8Si4.2O6.0N7.4。通过测量布鲁斯特角计算得到的折射率为2.03(2)，相应于布鲁斯特角为63.8°。压痕实验得到的硬度值为11.4Gpa。磁化率测量给出了含Sm3+的样品的典型的顺磁信号和温度依赖性。Sm3+是一种磁性离子，所以表明可以得到高浓度的磁性离子。磁化率曲线与Sm2O3的依赖温度的磁化率一致。
实施例4，名义组成为La5.7Si6.5B1.5O12N7.85的氧氮硼硅酸盐玻璃的合成
在一个充满氩气的手套箱中，将1.5752g的La金属，0.721g的SiO2，0.0468g的Si3N4和0.075g的BN的混和物充分研磨。将研磨好的混和物转移到一个自制的铌坩埚中。将此坩埚用帕拉胶膜盖好并转移到石墨炉中进行加热处理。在启动热处理程序之前，用氮气将石墨炉冲洗三次。然后用2个小时将样品加热到1600℃，并在此温度下保持30小时，然后将温度升高到1750℃，并保持1小时。然后通过将样品降到石墨炉的冷室中，淬火到一个低于玻璃化转变温度的温度。当达到室温时，将样品从炉子中取出，切成5mm的大件用于不同的分析。
扫描电镜照片和X光粉末衍射图谱清楚地表明，样品是均匀的玻璃，没有任何结晶相的痕迹。上述分析清晰的表明BN粉体也溶解在了玻璃样品中，因此结合到了非晶玻璃结构中。
这些结果清晰的表明，当通过用氮原子来代替氧原子，强化了网络原子结构时，氧化物玻璃的物理和机械性能，比如硬度，弹性模量，断裂韧性和玻璃化转变温度得到了改善/提高。而且，可以得到非常高的折射率。
进一步的实施例
所研究的玻璃的化学组成如下。所有的组成都在1750℃下熔融22小时。G表示形成玻璃，C表示还存在结晶相。
  实施例号   样品号   化学式   Pr  SiO2   Si3N4   B(非晶)
  5   Pr2(G+C)   Pr6.33Si10O7N15   0.6343g38.76wt％  0.1495g21.43wt％   0.2162g39.80wt％   ----------
  6   Pr3(G+C)   Pr8.33Si10O7N17   0.695345.44  0.124619.09   0.180135.46   ----------
  7   Pr4(G)   Pr3.33Si10O10N10   0.467624.98  0.299437.51   0.233037.51   ----------
  8   Pr5(G)  Pr7.33Si10O10N14   0.659142.30  0.191728.85   0.149228.85   ----------
  9   Pr5B(G)   Pr7.33Si10O10N14+B   0.659142.30  0.191728.85   0.149228.85   0.0150wt.％age 1.5
  10   Pr8(G+C)   Pr7.67Si10O9N15   0.671943.41  0.168125.47   0.159931.13   ----------
  11   Pr10(G)   Pr8Si10O8N16   0.683944.44  0.145822.22   0.170333.33   ----------
  12   Pr14(G+C)   Pr6.67Si10O6N16   0.649340.01  0.124518.00   0.226241.99   ----------
  13   Pr15(G)   Pr7.33Si10O7N16   0.667642.30  0.135920.20   0.196537.50   ----------
  实施例号   样品   化学式
  14   玻璃   La4.33Si10O7N13
  15   玻璃   La6.33Si10O7N15
  16   玻璃   La4Si10O8N12
  17   玻璃   La6Si10O8N12
  18   玻璃   La7.67Si10O9N15
  实施例号   样品号   化学式   La   SiO2   Si3N4
  19   P1(G)   La3.33Si10O10N10   wt％46.43   30.13   37.45
  mol％24.98   37.51   37.51
  20   P2(G)   La5.33Si10O10N12   wt％58.09   23.57   18.35
  mol％34.79   32.61   32.61
  21   P3(G)   La7.33Si10O10N14   wt％65.59   19.35   15.06
  mol％42.30   28.85   28.85
  mol％16.21   59.46   24.32
  22   P5(G)   La5Si10O11N11   wt％56.22   26.75   17.07
  mol％24.39   53.66   21.95
  23   P6(G)   La7Si10O11N13   wt％64.25   21.84   13.91
  mol％31.11   48.89   20.00
  mol％21.07   47.36   31.57
  24   P8(G)   La4.67Si10O12N10   wt％54.23   30.14   15.64
  mol％31.83   40.90   27.27
  25   P9(G)   La6.67Si10O12N12   wt％62.85   24.45   12.69
  mol％40.01   35.99   24.00
  mol％20.79   62.41   16.80
  26   Q3(G，c)   La6.33Si10O13N11   wt％61.34   27.24   11.42
  mol％27.73   56.94   15.33
所研究的玻璃的化学组成如下。所有的组合物都在氮气流中，在1500℃下熔融18小时，然后用30分钟升温到1750℃，并在此温度下保持30分钟，然后在炉子的冷室中淬火到室温。
  实施例号   样品号   化学式   La   SiO2   Si3N4
  27   EISO1(G)   La4.33Si10O7N13   wt％53.90   18.85   27.24
  mol％24.12   39.26   36.45
  28   EISO2(G)   La6.33Si10O7N15   wt％63.10   15.09   21.80
  mol％31.94   35.30   32.78
  29   EI8O5(G)   La7.67Si10O9N15   wt％66.88   16.97   16.14
  mol％34.60   40.59   24.81
  30   SISO1(G+C)   La5.33Si10O4N16   wt％59.83   09.77   30.41
  mol％
  31   PISO1(G)   La7.33Si10O10N14   wt％65.59   19.35   15.06
  mol％42.30   28.85   28.85
所研究的玻璃的化学组成如下。所有的组成在1700℃和1200℃下熔融19.5小时(各组成在1700℃下熔融(2+12)小时，然后，在1200℃下4小时，最后在1700℃下1.5小时)。以1克为基础。当形成玻璃相并且所得材料中有些是晶体时，表明是部分玻璃。所述晶体结合在玻璃块中。在下面提到的合成实施例中大约30-80％的体积比是玻璃。
  实施例号   样品号 化学式   wt％ 结果
  Ca   SiO2   Si3N4
  32   Ca 1B   Ca9Si10O14N10   39.14   45.64   15.22   G
  33   Ca 2B   Ca9.5Si10O13N11   40.74   41.79   17.48   G
  34   Ca 3B   Ca10Si10O12N12   42.28   38.03   19.69   G
  35   Ca 4B   Ca10.5Si10O11N13   43.77   34.38   21.85   G
  36   Ca 5B   Ca12Si10O10N14   47.39   29.60   23   G
  37   Ca 6B   Ca5Si10O10N10   27.30   40.91   31.79   G+C
  38   Ca 7B   Ca4.5Si10O11N9   25.02   45.85   29.13   G+C
  39   Ca 8B   Ca4Si10O12N8   22.66   50.95   26.38   G+C
  40   Ca 9B   Ca3.5Si10O13N7   20.21   56.26   23.53   G
  41   Ca10B   Ca3Si10O14N6   18.14   63.46   21.12   G+C
将样品在1750℃下熔融30小时，然后接着冷却到室温(在炉子中，在N2气流下)。
  实施例号   样品号   化学式   La   SiO2   AlN   Si3N4
  42   A2(G)   La5.67Si7Al3O12N10   wt(克)0.7876   0.3605   0.1229   0.0468
  mol％36.18   38.29   19.14   06.38
NB.上述所有组成都在石墨容器(小尺寸的)中熔融，样品在Nb管中，并且在冷却过程中，N2通入到较低的/冷室中，而不是热室中。样品SmE3，SmP9，GdE3和GdP9在1750℃下熔融22小时，SmA2和GdA2在1750℃下熔融30小时，接着冷却到室温(在炉子中，在N2气流下)，见附注。
  实施例号   样品号   化学式   Sm   Gd   SiO2 AlN   Si3N4
  43   SmP9(G)   Sm10Si10O12N12   wt(克)1.5036   -----   0.3605 -----   0.1871
  mol％50.00   -----   30.00 -----   20.00
  44   GdP9(G+C)   Gd6.67Si10O12N12   wt(克)-----   1.0483   0.3605 -----   0.1871
  mol％-----   40.01   35.99 -----   23.99
NB.上述所有组成都在石墨容器(小尺寸的)中熔融，样品在Nb管中，并且在冷却过程中，N2通入到较低的/冷室中，而不是热室中。
样品在1750℃下熔融22小时，接着冷却到室温(在炉子中，在N2气流下)，见附注。
  实施例号   序列号   化学式   Smwt.(克)   Gd   La   SiO2   AlN   Si3N4
  45 SmP3(G) Sm11Si10O10N14   wt1.6539   -----   -----   0.3004   -----   0.2338
  mol％52.39   -----   -----   23.81   -----   23.81
  46 Gd1(G+C) Gd2.67Si10O12N8   wt-----   0.4198   -----   0.3605   -----   0.1871
  mol％-----   21.07   -----   47.36   -----   31.58
  mol％44.44   -----   -----   33.33   16.22   22.22
  47 La1(G) La6.33Si9Al1O14N10   wt-----   -----   0.8793   0.4206   0.0409   0.0935
  mol％-----   -----   38.76   42.86   06.12   12.25
  实施例号   序列号   化学式   Ho   SiO2   AlN   Si3N4
  48 Ho1(G+C) Ho6.33Si9Al1O14N10   1.044   0.4206   0.0409   0.0935
  38.76   42.86   06.12   12.25
NB.上述所有组成都在石墨容器(小尺寸的)中熔融，样品在Nb管中，并且在冷却过程中，N2通入到较低的/冷室中，而不是热室中
  实施例号   序列号   化学式   La   Dy   Gd   SiO2   AlN   Si3N4
  49   La2(G)   La8Si8Al2O10N14   wt.(克)1.1113mol(％)44.44   ------   ------   0.300427.78   0.081911.11   0.140316.67
  50   Dy2(G，C)   Dy6Si10O14N10   wt.(克)---mol(％)---   1.137537.50   ---   0.420643.75   ------   0.140318.75
  实施例号   序列号   化学式   La   Sm   SiO2   AlN   Si3N4
  51   E10(G)   La7.67Si10O9N15   wt％66.88mol％34.60   ---   16.9740.59   ---   16.1420.81
  52   A2(G)   La5.67Si7Al3O12N10   wt.(克)0.7876mol％42.30   ---   0.360523.08   0.122923.08   0.046811.54
  实施例号   序列号   化学式   La   Sm   SiO2   AlN   Si3N4
  53   E10(G)   La7.67Si10O9N15   wt％66.88mol％34.60   ---   16.9740.59   ---   16.1420.81
  54   A2(G)   La5.67Si7Al3O12N10   wt.(克)0.7876mol％42.30   ---   0.360523.08   0.122923.08   0.046811.54

Claims (11)

1.一种通式为αxβyγz的氮化物玻璃，其中，α至少是一种选自碱金属Na，K和Rb，碱土金属Be，Mg，Ca，Sr和Ba，过渡金属Zr，Hf，Nb，Ta，W，Mo，Cr，Fe，Co，Ni，Zn，Sc，Y和La，主族元素Pb，Bi和f元素Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Th，Pa和U中的正电性元素；
β选自Si，B，Ge，Ga和Al；
γ是N或者N和O，并且O∶N原子比在65∶35到0∶100之间。
2.权利要求1中的氮化物玻璃，其特征在于α优选选自Lu，Mg，Y，Sc，Nd，Gd，Eu，Er，Tb，Tm，Dy，Yb，Th，Pa，Ca，Sr，Ba，La，Pr，Ce，Sm，Mn和Ho。
3.权利要求1-2中的氮化物玻璃，其特征在于α更优选选自Ca，Sr，Ba，La，Pr，Ce，Sm，Mn和Ho。
4.权利要求1-3任意之一中的氮化物玻璃，其特征在于α∶β比率在30∶70到60∶40之间，优选的在41∶59到60∶40之间。
5.权利要求1-4任意之一中的氮化物玻璃，其特征在于β∶γ比率在33∶67到22∶78之间。
6.权利要求1-5任意之一中的氮化物玻璃，其特征在于β中包括Si。
7.权利要求1-6任意之一中的氮化物玻璃，其特征在于该玻璃的硬度值大于5Gpa，优选的大于9.9Gpa，最优选的大于12.3Gpa。
8.权利要求1-7任意之一中的氮化物玻璃，其特征在于该玻璃的折射率大于1.4，优选的大于1.9，最优选的大于2.2。
9.权利要求1中的氮化物玻璃，其特征在于该玻璃具有磁性和/或磁光性能，并且，α至少包括一种选自Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Pa，U和Mn中的元素。
10.一种制备权利要求1-9任意之一中的氮化物玻璃的方法，包括步骤：
a)相应于所希望的组成将化学试剂混和，采用的α是纯的金属以及/或相应的金属氮化物或者金属氢化物，或者任何其它的在合成过程中在氮气氛中转变成相应的氮化物的化合物；
b)将所述化合物在存在氮气的情况下加热到至少1000℃，由此得到熔体；
c)维持在步骤b)中的温度，直到所混和的化合物形成一种均匀的熔体；
d)将该熔体冷却到低于玻璃化转变温度的温度，所采用的冷却速率要足够得到玻璃相。
11.权利要求10中的方法，其特征在于在步骤b)和c)中，所述温度在1500℃以上，优选在1800℃以上。
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