摘 要

近年来，随着新型光学玻璃的应用，光学仪器得到了极大的发展。另一方面，新型光学系统的功能设计也为光学玻璃提供新的发展方向，进一步地促进了对新型光学玻璃的研究和相关玻璃科学的进步。高折射率玻璃的研究对新型光学仪器的开发有重要的意义。新型的气动悬浮技术不仅可以使玻璃样品处于无容器状态进行玻璃性质的测量，还能较好的对其样品微珠进行制备。

本课题使用AALF-1型气动悬炉制备不同配比的氧化钇-氧化铝玻璃，确定了氧化钇-氧化铝二元体系的玻璃形成区。结果表明：当其中氧化钇的摩尔百分比在27.5%～32.5%范围内时，可以获得玻璃样品。玻璃样品的密度均为4.1g/cm³～4.195g/cm³的范围内，其显微硬度在942～982MPa范围内，并且它们分别随着氧化钇含量的增多呈逐渐增大和逐渐减小的变化趋势。此外，还测量了玻璃样品的高温粘度、表面张力、紫外吸收限、红外光谱、析晶温度（Ta）和玻璃化转变温度（T_g）。以期望为含有上述组成的玻璃熔制工艺和成形工艺的开发提供相关的参考数据，并加深对上述体系玻璃结构本质的理解。

关键词：氧化钇-氧化铝体系玻璃；气动悬浮；热物理性能

Abstract

In recent years, the development of optical instrument has been largely promoted by the application of novel optical glasses. On the other hand, recent progress on glass science and researches on novel optical glasses were also been achieved with the inspiring from the function design of novel optical system. Glass with high reflective index plays an important role in the developing of novel optical instrument. The new aerodynamic levitation technique is capable for the containless preparation of sphere glassy sample as well as the measurement of samples’ physical properties.

In this thesis, yttrium aluminum oxide glasses with different composition were prepared by a aerodynamic levitation furnace (AAFL-1) with two CO₂ lasers for heating. Glass formation region in binary system of Y₂O₃-Al₂O₃ was determined. It was found that glassy sample could be obtained when the Y₂O₃ content varied in the range from 27.5% to 32.5 in mole percentage. The density of glass sample was found in the range from 4.1g/cm³ to 4.195g/cm³. And their microhardness was between 942MPa and 982MPa. With the increasing of Y₂O₃ content in the glass, there is an increase and a decrease in their density and microhardness, respectively. Beside, the viscosity and surface tension at high temperature were also estimated, as well as the UV absorption edge, FT-IR spectra and glass transition temperature (T_g). The results could be useful for the further developing the melting process and formation process, the glass of which containing both yttrium oxide and aluminum oxide. It was could also be used as reference for better understanding the nature of glass structure in the binary system of Y₂O₃-Al₂O₃.

Key Words: Y₂O₃-Al₂O₃ system glass; aerodynamic levitation; thermo-physical properties

目录

第1章 绪论 1

1.1 光学玻璃的发展概况 1

1.2 Al₂O₃-Y₂O₃体系 2

1.3 气动悬浮技术 2

1.3.1 气动悬浮技术概述 3

1.3.2 AALF-1型气动悬浮炉 4

1.3.3 形状的测定 4

1.3.4 表面张力和粘度的测定方法 5

1.4 本课题研究的目的及主要工作内容 5

1.4.1 本课题研究的目的及意义 5

1.4.2 本课题工作内容 6

第2章 玻璃制备与性能测试 7

2.1 气动悬浮炉制备玻璃微珠 7

2.2 玻璃微珠的物理性能测试 9

2.2.1 密度的测定 9

2.2.2 红外光谱的测定 9

2.2.3 透光率的测定 10

2.2.4 硬度的测定 10

2.2.5 高温粘度与表面张力的测定 11

2.2.6 TG-DSC的测定 11

第3章 结果与讨论 12

3.1 玻璃形成区 12

3.2 密度分析 12

3.3 红外光谱分析 13

3.4 透光率分析 14

3.5 硬度分析 16

3.6 高温粘度与表面张力分析 17

3.7 折射率 18

3.8 DSC分析 18

3.9 本章小结 22

第4章 结语 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1 光学玻璃的发展概况

光学玻璃的发展和光学仪器的发展息息相关。伴随着人类生活与工作的需要，光学玻璃的诞生是必然的，所以其历史可以追溯到很久很久之前。考古家证明，公元三千年前，在古埃及和我国，人们已经能制造一些简易的生活玻璃作为建筑和装饰的材料。但玻璃作为眼镜和镜子被人们使用，是开始于十三世纪的威尼斯。此后，因航海学和天文学发展，及随后微生物学的发展，望远镜、显微镜等光学仪器在一代代的科学家、航海家的努力下开始在世人面前展露出来，发挥其重要的作用，推动着人类文明的不断进步。据悉从十六世纪开始，玻璃成为制造光学零件的重要原材料。十七世纪，怎样使光学系统的色差消除成为了光学仪器的中心问题。而此后在学者们的不断努力下，终于掌握了制备均匀光学玻璃的技术，到此光学玻璃便能够大量制造和销售，使得制造消色散透镜组成为可能，并用于光学系统的设计。十八世纪初，科学家们开始在消除光学系统二级光谱的玻璃材料研究方面进行了探索，并尝试着用氧化钡代替氧化钙进行相关实验。十八世纪末，耶拿大学的阿贝和肖特开始尝试研究钡系玻璃，他们在玻璃中引入新的氧化物BaO、B₂O₃、ZnO、P₂O₅等，并研究了它们对光学常数的影响。在此基础上，科学家们又陆续发展了钡冕类型光学玻璃，与此同时又发展了硼冕、锌冕等类型的光学玻璃，并开始尝试制备特殊相对部分色散的火石玻璃。光学玻璃品种的多元化，使光学仪器呈现出更多的类别与涉及领域，相继出现了质量较高的器件像物镜、显微镜及透镜。十九世纪初，光学玻璃的制造方法及品种类别得到进一步的发展与扩充，为了满足光学设计中高折射率低色散玻璃^[1]的要求，研究人员又相继试制了镧冕和镧火石的玻璃系统，含稀土氧化物，例如镧系玻璃的研制成功是光学玻璃发展过程中另一重要的成就；德国创造出了光学玻璃的浇注法，使光学玻璃可以大批量的生产；同时一些西方工业国家对玻璃减反膜进行了大量的研究等。四十年代后期，研究人员陆续开始了低折射率的氟化物及氟磷酸盐玻璃的研究，五十年代初到六十年代初已有一些关于氟磷酸盐玻璃产品。七十年代，在高折射率玻璃中引入特殊氧化物，例如氧化锗和氧化碲作为玻璃形成体，使特殊色散的光学玻璃得以发展。伴随着光学工业的发展需求越来越复杂，八十年代至九十年代，一些特种光学玻璃，例如梯度折射率光学玻璃、虑光玻璃、非线性玻璃等得到快速发展。在近十年来，随着世界及中国光电子信息产品的迅速蓬勃增长，使用于光电数码及信息产品的技术含量高、制作难度大、光学性能优越的光学玻璃材料，即镧系光学玻璃、环保系列光学玻璃、低熔点及磷酸盐光学玻璃等在高科技领域得到了日益广泛的应用^[2]。

相比于具有特定的化学成分的晶体而言，光学玻璃具有在一定范围内可变的化学成分，这种成分变化可以被用来调节玻璃的各种光学性质，以期望能够满足各种特殊应用的最佳性质组合。由于光学器材的小型化和数字化，使市场对高折射率光学玻璃的需求与日俱增，特别是高品质的高折射率(1.9-2.2)高色散光学玻璃。例如，拥有优异光学性能的高折射率镜片，不仅具有防刮擦，及多种表面处理的可加工性，还具有能带给高度近视患者额外的轻薄感^[3]。