稀土玻璃陶瓷材料共33页

稀土荧光玻璃和玻璃陶瓷材化082：莫绿斌指导教师：贺海燕（陕西科技大学材料科学与工程学院陕西西安710021）摘要：稀土荧光玻璃是由稀土元素掺杂在玻璃中，并利用稀土离子的光谱性质使基础玻璃产生可见荧光而形成的。

通过对稀土元素电子构型、光谱特征的分析研究,阐述了稀土元素在玻璃陶瓷中的应用。

稀土元素自由原子的基态电子组态有两种类型：[Xe]4f n6s2和[Xe]4f n-15d16s2。

其中[Xe]=1s12s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6。

它们未饱和的4f电子，在紫外、可见等高能射线的激发下，从基态跃迁到激发态，然后再从激发态返回到能量较低的能态时，放出辐射能而发出荧光。

关键词：稀土;荧光玻璃；光谱性质ABSTRACT:Fluorescent rare earth glass is a rare earth doped glassby rare earth ions doped glass, and using the spectral properties of rare earth ions to produce visible fluorescence-based glass formed. Through the electronic structure of rare earth elements, spectral analysis,this paper it describes the rare earth elements in the glass-ceramic applications. Free rare earth ground state electronic configuration of rare earth atoms, there are two types of:[Xe]4f n6s2和[Xe]4f n-15d16s2 .of them，[Xe]=1s12s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6 . They are not un saturated 4f electrons excited from the ground state transition to the excited state in the ultraviolet, visible and other high-energy rays of excitation from the ground state transition to the excited state, then the energy from the excited state returns to a lower energy state and emit radiation and fluoresce.KEYWORDS:Rare earths;Fluorescent glass; Spectral properties前言稀土元素是指化学元素周期表中第三族的一个分组元素,它们包括由原子序数57 到71 的15 个镧系元素。

无机化学材料无机化学材料是指由无机元素构成的化学物质，其在实际应用中具有广泛的用途。

无机化学材料可以分为无机非金属材料和无机金属材料两大类。

无机非金属材料包括陶瓷、玻璃、胶体等，而无机金属材料则包括金属合金、硅材料、稀土材料等。

本文将主要介绍无机化学材料的种类与应用。

一、无机非金属材料1. 陶瓷材料陶瓷材料是一种由金属氧化物和非金属氧化物混合烧制而成的材料。

陶瓷材料具有高硬度、高耐热、耐腐蚀等特点，被广泛应用于制陶、建筑材料、电子器件等领域。

2. 玻璃材料玻璃材料是由高纯度的硅酸盐等物质通过高温熔融而成的无机非金属材料。

玻璃具有透明、均匀、硬度高等特点，广泛应用于建筑、家居、光电子等领域。

3. 胶体材料胶体材料是指由胶体溶液构成的材料，其介于溶液和固体之间。

胶体材料具有稳定性好、表面活性高等特点，被广泛应用于医药、化妆品、涂料等领域。

二、无机金属材料1. 金属合金金属合金是由两种或多种金属元素以及非金属元素按一定比例混合而成的材料。

金属合金具有高强度、硬度、导电性等特点，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。

2. 硅材料硅材料是指由纯度高的硅元素制成的材料，其中最常见的是多晶硅和单晶硅。

硅材料具有优异的热电性能和半导体特性，被广泛应用于电子器件、太阳能电池等领域。

3. 稀土材料稀土材料是一种由稀土元素制成的材料，稀土元素包括镧系和釹系元素等。

稀土材料具有磁性、光学性能好等特点，被广泛应用于磁性材料、催化剂、荧光材料等领域。

总结无机化学材料种类繁多，具有不同的物理、化学性质和应用特点。

无机非金属材料主要包括陶瓷、玻璃和胶体等，而无机金属材料则包括金属合金、硅材料和稀土材料等。

这些材料在各个领域具有广泛的应用，为人们的生产生活提供了不可或缺的重要物质基础。

在未来，随着科技的进步和工艺的创新，无机化学材料的应用将进一步拓展。

同时，对于无机化学材料的研究与开发也将持续进行，以满足人们对于新材料性能和功能的需求，促进社会的发展和进步。

稀土在结构陶瓷材料和功能陶瓷中的应用有哪些？稀土及稀土氧化物在陶瓷材料中的应用，主要是作为添加物来改进陶瓷材料的烧结性、致密性、显微结构和晶相组成等，从而在极大程度上改善了它们的力学、电学、光学或热学性能，以满足不同场合下使用的陶瓷材料的性能要求。

本文简要综述了稀土氧化物在结构陶瓷材料和功能陶瓷中的应用。

1 稀土氧化物在陶瓷材料中的作用机理2 稀土氧化物在结构陶瓷材料中的应用结构陶瓷是指晶粒间主要是离子键和共价键的一类陶瓷材料，具有良好的力学性、高温性和生物相容性等。

结构陶瓷在日常生活中应用很普遍，目前已向航空航天、能源环保和大中型集成电路等高技术领域拓展。

2.1 氧化物陶瓷氧化物陶瓷是指陶瓷中含有氧原子的陶瓷，或高于二氧化硅(SiO2：熔点1730℃)晶体熔点的各种简单氧化物形成的陶瓷。

氧化物陶瓷具有良好的物理化学性质，电导率大小与温度成反比。

氧化物陶瓷常作为耐热、耐磨损和耐腐蚀陶瓷，应用在化工、电子和航天等领域。

2.1.1 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷被广泛用于制造电路板、真空器件和半导体集成电路陶瓷封装管壳等。

为了获得性能良好的陶瓷，需要细化晶粒并使其以等轴晶分布，降低陶瓷的气孔率，提高致密度，最好能达到或接近理论密度。

氧化铝陶瓷的烧结温度高，烧制原料高纯氧化铝价格也高，限制了其在部分领域的推广及应用。

研究表明，稀土氧化物的加入可与基体氧化物形成液相或固溶体，降低烧结温度，改善其力学性能。

常用的稀土氧化物添加剂有Dy2O3、Y2O3、La2O3、CeO3、Sm2O3、Nd2O3、Tb4O7和Eu2O3等。

2.1.2 氧化锆陶瓷氧化锆(ZrO2)有单斜相、四方相和立方相三种晶型。

在一定温度下，氧化锆发生晶型转化时伴随体积膨胀和切应变，体积膨胀可能导致制品开裂。

氧化锆的熔点高，耐酸碱侵蚀能力强，化学稳定好，抗弯强度和断裂韧性很高。

三种晶型相互转化会伴随着体积的膨胀或收缩，导致性能不稳定，须采取稳定化措施。

稀土玻璃用途
稀土玻璃是添加了稀土元素的玻璃，主要由硼酸、硅酸和稀土元素酸化物混合而成。

由于稀土元素具有特殊的化学物理性质，稀土玻璃具有一些独特的性质和应用。

首先，稀土玻璃具有色彩鲜艳、透明度高的特点。

由于稀土元素的固溶作用，玻璃中出现颜色的方式与普通的着色玻璃有所不同。

通常，着色元素通过分离在晶界处形成的晶粒来实现着色，这种着色方式会引起光的散射，因此其透明度就会降低。

而稀土玻璃中的稀土元素粒子分布均匀，并且是在玻璃熔体中稳定存在的，因此它可以保持高透明度。

稀土玻璃的第二个独特性质是其荧光效应。

不同的稀土元素可以发生不同颜色的荧光，其发射光谱在紫外线激发下呈现出强烈的荧光，这种特性被应用于荧光灯和其他照明设备的制造。

稀土玻璃的荧光性能取决于其稀土元素的类型和浓度，因此可以通过调整化学成分来实现不同的荧光色谱。

除了良好的透明性和荧光效应，稀土玻璃还具有极高的抗辐射性。

在核工业和航空航天等领域需要使用的玻璃一般都需要具有良好的抗辐射能力，而稀土玻璃中的稀土元素可以吸收辐射能量，从而减缓由于辐射引起的玻璃破坏速度，因此广泛用于核辐射测量仪器或者核燃料盒。

此外，稀土玻璃还可以制成红外玻璃，因为很多稀土元素具有特殊的光学吸收带，
用于制备红外玻璃。

另外，稀土玻璃还可以用于制造光纤放大器和光纤通信器件，因为其稀土元素具有很强的光学放大效应。

总的来说，稀土玻璃具有一系列独特的性质，其透明性、荧光效应、辐射性和光学放大效应等性能，使其广泛应用于荧光灯、核燃料测量、核燃料储存、航天航空、红外光学等领域。

稀土元素对玻璃的着色在用于玻璃着色的14种稀土元素中。

人们仅使用了三种，即铈、镨和钕。

限制使用的有铒、钬和钐。

在可见与非可见区具有窄带吸收的光镨，是含钕和镨玻璃的典型特性，这是任何其它着色离子都能做到的。

正如巳指出的那样，?窄带吸收是由于电子在离子内层轨道上跃迁所引起的，这些电子因为相邻离子和原子的作用而受到外层轨道的保护。

因此在该情况中基质玻璃成分对色度的影响很小。

虽然由于成分(主要是碱)的变化，而使吸收带的极大真出现较少的变化(加强或减弱)，但实际上这并不影响着色过程。

上述情况的原因在于稳定的三价离子，因此，用稀土氧化物对玻璃着色的特点是具有良好的再现性，而且熔炼条件对着色没什么影响。

钕在可见光镨区对黄光具有特征吸收，即在光波长为590nm的区域出现了一条暗带(图2-3)。

在可见光镨的其它部分也有一系列的吸收带。

总的着色与照明情况有关，其色调为紫蓝色或红紫色。

钕的着色效能极低，因此为了得到弱粉色的色调，钕的用量不能低于3—4％。

图2—3组成为6Si02·CaO·NaaO(重量)SiO。

CaO，1396Na20)加入10氢氧化钕所熔炼玻璃的光谱透过串。

试样厚度为2mm。

谱可把玻璃着成浅绿色(图2-4)。

它在可见光谱区波长为430—490nm的区域内具有特征吸收带。

谱的化合物也具有较小的着色效能，因此，错的使用量要达到10％左右，而且，在该情况下所使用的着色剂原料中杂质(特别是钕)的影响是很明显的．由于成本高，着色效能低和颜色没什么独特之处，因而只是在特殊场合下才使用这些化学元素。

铬对玻璃的着色在普通成分的玻璃中，铬总是以两种氧化价态存在，即Cra+和Cro+，其中三事，价离子通常占优势。

在还原的熔炼条件下，当有能把六价铬还原成三价铬的As。

或bb：O。

存在时，尤其是在碱含量低的玻璃中，Cro+的含量能降到最小值；这些玻璃可以认为是只被Crs+离子着色的玻璃。

它们的颜色为浅蓝绿色，透过极大值在550—560nm处，在可见区具有特征的吸收带，其位置在光谱紫色区的450nm处和波长为650nm的红色区域。

稀土在玻璃陶瓷工业中的应用我国玻璃与陶瓷工业中的稀土应用量自1988年以来平均以25%的速度递增，1998年已达约1600吨，稀土玻璃陶瓷既是工业和生活的传统基础材料，又是高科技领域的主要成员。

从全球稀土消费来看，玻璃陶瓷占25.6%，1999年我国仅占10%，因此我国稀土在玻璃与陶瓷中的应用发展的空间很大。

2003年我国在玻璃陶瓷领域应用增长了1倍，稀土应用量在6000吨以上，占国内稀土应用总量的20.3%。

一、稀土玻璃及抛光材料玻璃的制造约有五千多年的历史，光学玻璃的生产也有近二百年的历史，但是稀土元素应用于玻璃制造却只是近百年的事。

19世纪末开始用氧化铈作玻璃脱色剂，20世纪20年代开始研究稀土硼酸盐玻璃，30年代制造了具有高折射率低色散的含镧光学玻璃。

玻璃陶瓷工业是稀土应用的一个重要的传统领域，在国外约占稀土总消费量的33%。

稀土在玻璃工业中被用作澄清剂、添加剂、脱色剂、着色剂和抛光粉，起着其他元素不可替代的作用。

利用一些稀土元素的高折射、低色散性能特点，可生产光学玻璃，用于制造高级照相机、摄像机、望远镜{TodayHot}等高级光学仪器的镜头；利用一些稀土元素的防辐射特性，可生产防辐射玻璃。

利用稀土元素生产的多种陶瓷颜料具有价廉、颜色纯正、艳丽和耐高温的特点，正受到用户的青睐。

1 激光玻璃钕玻璃是目前激光输出脉冲能量最大，输出功率最高的激光玻璃，其大型激光器用于热核聚变等。

双掺Nd3±Yb3+激光玻璃是通过Nd3+对Yb3+敏化，使Yb3+在室温下获1.06μm激光，能级简单，储能效率高，荧光寿命长（是钕玻璃的3倍），二阶非线性系数低，在970nm附近有一强吸收峰，可直接用LnGaAs 半导体激光器泵浦，热稳定性较好，有确定受激发射截面，吸收带较宽，掺杂浓度高等，用于光通讯、高能激光武器（可摧毁导弹、卫星、飞机等大型目标）。

掺铒磷酸盐激光玻璃能实现1.5μm低阈值激光，在大气中传输能力强。

稀土掺杂对玻璃材料的影响嘿，朋友们！今天咱们来聊聊一个有点神秘又超级有趣的话题——稀土掺杂对玻璃材料的影响。

说起玻璃，大家都不陌生吧。

咱们生活里到处都能看到玻璃的身影，窗户玻璃、玻璃杯、玻璃饰品等等。

但你有没有想过，往玻璃里面加点稀土元素，会发生什么奇妙的变化呢？我记得有一次，我去一家玻璃工厂参观。

那是一个阳光明媚的日子，工厂里机器轰鸣，工人们忙碌地工作着。

我走到一个车间，看到一堆堆透明的玻璃原料，就像晶莹的宝石等待着被雕琢。

这时，一位老师傅走过来，跟我讲起了稀土掺杂的事儿。

他说，稀土掺杂就像是给玻璃施了魔法。

比如说，掺杂了稀土元素的玻璃，它的颜色可能会变得更加鲜艳和独特。

就像我们常见的一些彩色玻璃饰品，那绚烂的色彩很可能就是稀土元素的功劳。

稀土元素能让玻璃吸收和发射特定波长的光，从而展现出美丽的颜色。

而且啊，稀土掺杂还能改变玻璃的光学性能。

这意味着什么呢？比如说，有些稀土掺杂的玻璃能够更好地过滤紫外线，保护我们的眼睛和皮肤。

想象一下，在炎热的夏天，我们戴着一副由这种特殊玻璃制成的太阳镜，既能清晰地看到外面的世界，又不用担心紫外线的伤害，多棒啊！还有呢，稀土掺杂还能提高玻璃的硬度和耐磨性。

这就好比给玻璃穿上了一层坚固的铠甲。

我曾经看到过一块经过稀土掺杂处理的玻璃，用尖锐的东西在上面划，居然都没有留下痕迹。

这要是用在手机屏幕上，那得多耐用啊，再也不用担心屏幕被刮花了。

不仅如此，稀土掺杂还能增强玻璃的荧光性能。

有些特殊的玻璃在特定的条件下会发出迷人的荧光，就像夜空中闪烁的星星。

这在一些照明设备和显示技术中可是有着重要的应用。

不过，稀土掺杂也不是一件简单的事情。

它需要精确的控制掺杂的量和工艺条件。

多了少了都不行，就像做菜放盐一样，得恰到好处。

而且，稀土元素本身价格不菲，这也使得稀土掺杂玻璃的成本相对较高。

但尽管如此，稀土掺杂在玻璃材料领域的应用前景依然十分广阔。

随着科技的不断进步，相信未来我们会看到更多更神奇的稀土掺杂玻璃制品出现在我们的生活中。