摘 要

YAG微晶玻璃具有优异的机械性能、光学性能等。 YAG晶体中Y³ 因镧系收缩使其离子半径位于镧系元素的离子半径以内，其离子半径与许多稀土离子的半径相当，使得容易实现YAG晶体的稀土离子掺杂。而稀土离子由于其特殊的结构，使其容易发生f-f、f-d跃迁，从而发出不同波长的光，其中包括了不同颜色的可见光。因此，稀土掺杂的YAG晶体具有良好的荧光特性。目前广泛应用于白光LED材料、激光材料等。2005年，日本的Shunsuke Fujita首次制得了Ce掺杂的YAG微晶玻璃，在其中析出了单一的YAG微晶，并且该微晶玻璃在蓝光LED激发下发出和商用白光LED光谱几乎一样的白光。2012年，韩国公州国立大学Chung教授的研究小组首次利用低温共烧制备了Ce：YAG。

本文尝试用传统的、技术最为成熟的整体析晶法，以制备能析出单一YAG晶相的微晶玻璃。探讨了不同的热处理制度对Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂系统的基础玻璃的析出晶体种类和晶粒尺寸的影响，以及Li₂O、ZrO₂的加入对该系统基础玻璃的析晶性能的影响。

研究结果表明：Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂系统下，析出单一的YAG晶相的析晶温度较高，为1380℃，且其晶粒尺寸难以控制。核化阶段对所析出的晶体种类和晶粒尺寸的影响较小。在该系统中加入Li₂O能有效降低基础玻璃熔化温度，且加入Li₂O能在一定程度上起到促进YAG晶相析出的作用。在基础玻璃中加入一定含量的氧化锆，能使该系统基础玻璃的核化温度下降大约200℃。

本文的特色：详细探讨了热处理制度中各个因素对Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂系统的基础玻璃的析出晶体种类和晶粒尺寸的影响。并通过调整基础玻璃组成，实现基础玻璃熔化温度的降低、核化温度的降低。

关键词：钇铝硅系统；微晶玻璃；热处理制度；组成

Abstract

YAG glass-ceramic has excellent mechanical properties, optical properties. Y³ ions in the YAG crystal have the ionic radius which is between the lanthanide element ion radius because of lanthanide contraction. The ion radius is equivalent with that of many rare earth ions radius, making it easy to achieve rare earth ion doped YAG crystal. The rare earth ions have special structure, making them prone to f-f/ f-d transition, which emits lights with different wavelengths, such as colorful visible lights. Therefore, rare earth ions doped YAG crystals have good fluorescence properties, leading to widely used in laser materials, white LED materials and so on. In 2005, Shunsuke Fujita, a Japanese, made the first Ce-doped YAG glass-ceramic, which precipitated a single YAG microcrystals, which has the same the spectrum as commercial white LED when excited by blue-ray. In 2012, in Kongju National University, Korea, Professor Chung and his team made Ce: YAG for the first time by low temperature co-firing.

In this paper, we try to prepare glass-ceramic with a single YAG crystal phase by body crystallization method which is the most traditional and full-blown method. We discussed the effects of different heat treatment systems on the precipitation type and grain size in the Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ system and the effects of the addition of lithium oxide and zirconium dioxide on the crystallization performance of the mother glass.

The results are as follows:In the Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ system, the crystallization temperature in which only YAG crystal phase can be precipitated is high, which is 1380℃. And it is difficult to control the grain size. The nucleation process give less effects on the species of the precipitations and grain size. Adding lithium oxide to the mother glass with a certain amount can effectively reduce the melting temperature of the mother glass. And the addition of lithium oxide can play a role in promoting the precipitation of YAG crystal to some extent. Adding zirconium dioxide to the mother glass with a certain amount can reduce the nucleation temperature of the mother glass in Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ system by about 200℃.

The characteristics of this paper are as follows : we discussed in detail to investigate the effects of various factors in the heat treatment on the precipitation type and grain size. And by adjusting the mother glass composition, we achieved reducing the basic glass melting temperature and the nucleation temperature.

Key words: Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂ system; glass-ceramic; heat treatment system; component

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1微晶玻璃简介 1

1.1.1微晶玻璃的定义与特性 1

1.1.2微晶玻璃的制备工艺 1

1.1.3微晶玻璃的应用现状与发展 3

1.2钇铝硅系微晶玻璃简介 4

1.2.1YAG简介 4

1.2.2 YAG制备 5

1.2.3 微晶玻璃的发光原理 5

1.3钇铝硅系微晶玻璃的研究现状与发展 6

1.3.1 国外研究状态 6

1.3.2 国内研究状态 7

1.4选题意义和主要研究内容 7

第二章 实验和测试 8

2.1实验主要流程 8

2.2实验成分及制备方法的确定 8

2.3实验原料 9

2.4实验设备及测试仪器 9

2.5原料配比设计范围 9

2.6样品制备 10

2.6.1原料的混合 10

2.6.2基础玻璃的熔制 10

2.6.3基础玻璃的成型与退火 10

2.6.4热处理样品制备 10

2.6.5基础玻璃的热处理 11

2.7 样品测试 11

2.7.1 DSC测试 11

2.7.2 XRD测试 11

2.7.3 EPMA形貌分析 12

2.7.4 荧光光谱性能测试 12

第三章 热处理对钇铝硅系微晶玻璃的影响 14

3.1 基础玻璃的制备与测试 14

3.2析晶温度 15

3.3核化温度 17

3.4晶化保温时间 18

3.4.1晶化保温时间对晶相种类的影响 19

3.4.2晶化保温时间对晶粒尺寸的影响 20

3.5核化保温时间 21

3.5.1核化保温时间对晶相种类的影响 21

3.5.2核化保温时间对晶粒尺寸的影响 22

3.6本章小结 23

第四章 Li₂O含量对钇铝硅系微晶玻璃的影响 24

4.1组成配比调整 24

4.2 Li₂O含量对基础玻璃粘度的影响 24

4.3 Li₂O对钇铝硅系微晶玻璃析晶性能的影响 25

4.4本章小结 27

第五章 ZrO₂对钇铝硅系微晶玻璃的影响 28

5.1组成配比及热处理制度调整 28

5.2结果分析 28

5.3本章小结 30

结论 31

参考文献 32

致谢 34

第一章 绪论

1.1微晶玻璃简介

1.1.1微晶玻璃的定义与特性

微晶玻璃，又称玻璃陶瓷，是将特定组成的基础玻璃，在加热过程中通过控制晶化而制得的一类含有大量微晶相及玻璃相的多晶固体材料^[1]。

微晶玻璃，它许多方面的性能在玻璃和陶瓷之间。与玻璃相比，基础玻璃中所析出的微晶相很大程度上增加了基础玻璃的强度，并赋予了基础玻璃原本所不具备的各种特性；与陶瓷相比，微晶玻璃更容易制成致密透明的材料。