显色工艺对纳米CdSe_xS_1_x_微晶玻璃光吸收曲线性能的影响
显色工艺对纳米CdSe x S 1-x 微晶玻璃光吸收曲线性能的影响
3赵 娟33
(广东海洋大学工程学院,广东 湛江 524000)
摘要:采用不同的热处理显色工艺对掺杂Se 和CdS 着色剂的硼硅酸盐玻璃进行热处理,制备出一系列的纳米硒硫化镉颜色玻璃,研究了热处理显色工艺对玻璃光透过性能的影响。结果表明,玻璃的截止吸收波长位置取决于热处理条件;采用低温长时间热处理工艺,使所制备的玻璃具有较高的光透过率和完整的吸收边界。微观结构分析表明,热处理后玻璃中出现的纳米微晶等结构变化是导致玻璃着色、出现光截止吸收的根本原因。
关键词:硒硫化镉;热处理;截止吸收
中图分类号:T Q171.1+12 文献标识码:A 文章编号:1000-2871(2007)05-0007-04
Effect of the Hea t Trea t m en t on the L i ght
Absorpti on of Nano CdSe x S 1-x Cryst a llite Gl a sses
ZHAO Juan
(College of Engineer,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524000,China )
Abstract:Boric silicate glasses doped with col orant Se and CdS was heated at different treat m ent regi m e t o obtain nano CdSe x S 1-x stained glasses .The effect of conditi ons of heat treat m ent on the cut -
off abs or p ti on of glasses and the change of m icr ostructure of glasses were studied .The results showed that the cut -off abs or p ti on of glasses depends on the conditi ons of heat treat m ent .The as -received stained glasses,which were treated at l ow te mperature and f or a l ong ti m e,have high trans m issi on and excellent cut -off abs or p ti on edge .Some nano -crystallites co me out in the p r ocess of heat treat m ent,
which lead t o the glasses stained and the perf or mance of cut -off abs or p ti on appeared .
Key words:CdSe x S 1-x ;heat treat m ent;cut -off abs or p ti on
0 引言
在硼硅酸盐玻璃中引入少量硒和硫化镉着色剂能获得从黄色到红色一系列颜色玻璃,这种玻璃的光吸收谱具有截止型吸收的特征[1],近年来已用它研制出适合可见光和近红外光的多种滤光玻璃,这种玻璃在 第35卷第5期2007年10月玻璃与搪瓷G LASS &E NAMEL Vol .35No .5Oct .2007
333收稿日期:2007-03-23
作者简介:赵娟(1970-),女,博士,讲师,研究方向为特种玻璃。
通讯地址:广东省湛江市解放东路40号广东海洋大学工程学院,邮编:524000,E -mail :ndyang@https://www.360docs.net/doc/70944818.html,,手机:134********
光学仪器材料和激光防护材料的研究开发中有广泛的应用前景[2,3]
。一些研究表明,这种颜色玻璃的着色
常采用二次显色热处理工艺[4,5],热处理显色工艺(温度、时间)对玻璃的光学性能将有很大影响。对于热处
理显色工艺条件对玻璃光截止吸收性能的影响系统研究甚少,尤其是在热处理显色过程中玻璃微观结构的演变规律很少报道。因此,系统研究热处理技术对开发和提高截止吸收型颜色玻璃产品的品质十分有益。
本文系统地研究了热处理温度和时间对掺杂Se 和CdS 着色剂的硼硅酸盐玻璃的截止吸收波长位置、光透过率和截止吸收边界等光学性能的影响,并借助高分辨透射电镜进一步从微观结构上揭示玻璃在显色过程中微观结构的演变规律。1 实验
1.1 颜色玻璃的制备
选用锌硼硅酸盐系统玻璃作为基体材料,基体玻璃的质量分数:Si O 258%,R 2O 3(B ,A l )4%,R 2O (K,Na )24%,RO (Zn,Ca )13%及少量助熔剂。着色剂加入量:w (Se )0.6%,w (CdS )1.0%。
采用感量为0.001g 的电子天平配料,原料充分混合均匀,所有的基体材料原料均以分析纯药品引入。采用氧化铝坩埚在硅碳棒高温炉内熔制玻璃,熔制温度为1380℃,保温时间为1h 。将经高温熔制的无气泡玻璃液倾倒在预先加热的铸铁模具内,浇铸成块状玻璃毛坯。然后立即将毛坯送入马弗炉内退火,退火温度为480℃,保温1h ;随炉冷却后,得到无色玻璃。将玻璃切割、研磨,制成2mm ×20mm ×30mm 的试样。采用二次显色法在500～600℃范围内对玻璃进行热处理显色。
1.2 性能和结构测试
将热处理过的玻璃双面抛光成镜面试样。采用日本岛津公司UV23101PC 紫外可见分光光度计在波长为300～1000n m 范围内测试玻璃样品的光吸收性能,以确定玻璃光吸收的截止波长、可见光透过率以及吸收谱线的形状。采用JS M -5900型高分辨透射电镜对样品显色过程中的微观结构进行分析。
2 结果和讨论
2.1
热处理显色温度和时间对玻璃截止吸收波长位置的影响
图1-1 热处理显色温度对玻璃试样截止吸收波长位置的影响a —未处理 b —520℃,4h c —560℃,4h 热处理显色温度对玻璃试样截止吸收波长位置的影响
示于图1-1。从图中曲线a 可知,未经热处理的玻璃试样在
整个可见光范围(400～800n m )内,光透过率均比较高;经过
520℃、4h 和560℃、4h 热处理的试样,分别在525n m 、575
n m 波长附近出现截止吸收。即随着热处理温度的提高,玻
璃截止吸收波长由短波向长波方向移动,各透光曲线的形状
基本上是一致的。与光谱曲线的变化相对应,玻璃的颜色由
黄色向红色逐渐变化。
图1-2示出热处理显色时间对玻璃试样截止吸收波长
位置的影响。从图可以看出,当显色温度一定时,随着显色
时间的延长,试样截止吸收波长由短波向长波方向逐渐移
动,玻璃的颜色由桔黄色、橙色、橙红色逐渐过渡到红色,甚
至向黑色(λ位于红外光区)的方向连续变化。因此,对同一
组分的玻璃,显色时间或显色温度一定时,在一定范围内改变显色温度或显色时间,玻璃的颜色会发生相应的变化,可以制备出各种截止吸收波长的颜色玻璃。
2.2 热处理显色工艺对玻璃光透过率和截止吸收边界的影响
虽然采用改变显色温度或显色时间都能够制备出各种截止吸收波长的颜色玻璃,但是,不同的热处理工
?
8? 玻璃与搪瓷 2007年
图1-2 热处理显色时间对玻璃试样截止吸收波长位置的影响a —560℃,1h b —560℃,2h c —560℃,4h d —560℃,10h 艺对玻璃的光学性能有很大影响。热处理显色工艺对玻璃
光透过率的影响见图2。从图中可以看出,要使制备的玻璃
试样截止吸收波长在某一特定位置,可以采用低温长时间热
处理工艺,也可以采用高温短时间热处理工艺。但不同的热
处理显色工艺对玻璃试样光通过性能有明显影响。采用低
温长时间(500℃,32h )热处理所制备试样的可见光透过率
比采用高温短时间(560℃,4h )热处理所制备试样的可见光
透过率高,透过率可提高3%左右。
图3示出部分样品的光截止透过曲线中透过率低于
50%部分的详细情况。从图曲线a 看出,经过低温短时间
(500℃,8h )热处理后,试样对小于截止吸收波长(547n m )
的光吸收不彻底,在470n m 附近有不到1%的光透过。低温短时间热处理的样品没有表现出严格的吸收边界,而是在
低能方向拖着长长的尾巴;只有经过长时间(500℃,32h )热
处理后,试样才能形成比较完整的吸收边界(曲线b
)。这可
能是在低温短时间热处理条件下,晶粒生长不完整而造成的能隙弥散。而经过较高温度短时间(560℃,4h )热处理的试样对小于截止波长(548nm )的光能够比较完全吸收(曲线c ),形成比较完整的吸收边界,这主要是由于较高的显色温度有利于形成完整的晶粒,从而减少了能隙弥散。因此,要使所制备的玻璃试样具有优异的光学透过性能和良好的截止吸收边界,应采用低温长时间热处理工艺。
图2 热处理显色工艺对玻璃光透过率的影响 图3 热处理显色工艺对玻璃光截止吸收边界的影响 a —500℃,32h b —560℃,4h a —500℃,8h b —500℃,32h c —560℃,4h
2.3 玻璃显色过程微观结构的变化
为了深入理解热处理显色工艺对玻璃光透过性能的影响,必须对热处理显色过程中玻璃的微观结构进行详细研究。图4a 是未显色处理的玻璃试样的TE M 照片。可以看出,未显色玻璃的结构均匀。从图4b 可看出,经过低温短时间(500℃,8h )热处理显色后,玻璃开始析出纳米微晶(5nm ),但微晶的边缘分布不完整,如图中b 点所示。这可能是造成低温短时间热处理的样品没有表现出严格的吸收边界的原因。但是,经过短时间热处理后,玻璃内部结构已开始发生变化。继续延长显色时间(500℃,32h ),出现了明显的晶体结构,并且晶体结构完整,如图中c 所示,能谱分析表明此微晶为CdSe 和CdS,玻璃的光透过曲线出现完整的吸收边界。
玻璃的微观结构分析表明,在热处理过程中着色离子Se 2-、S 2-和Cd 2+发生扩散、迁移,部分离子聚集并
发育成完整晶体。因此,热处理后,玻璃中出现纳米CdSe 和CdS 微晶等结构的变化,是导致玻璃着色、出现光截止吸收的根本原因。
?9? 第35卷第5期 玻璃与搪瓷
图4 不同显色时间下玻璃试样的TE M 照片分析(500℃)
a —未处理
b —4h
c —36h
3 小结
⑴调整热处理工艺可以制备出各种截止吸收波长的颜色玻璃。热处理显色时间一定时,随着显色温度逐渐升高,或者在热处理显色温度一定时,随着显色时间逐渐延长,试样截止吸收波长由短波向长波方向逐渐移动,玻璃的颜色由黄色逐渐向红色变化。
⑵在研制高质量的颜色玻璃时,应采用低温长时间热处理工艺,使所制备的玻璃具有较高的光透过率和完整的吸收边界。
⑶TE M 分析表明:热处理后,玻璃中出现的纳米微晶等结构变化是导致玻璃着色、出现光截止吸收的根本原因。
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(上接第32页)
d .1.0m 为窑坎的极限高度。
⑹从物理模拟研究得知,梯形窑坎可改善玻璃液的热均一性和延长窑坎的使用寿命。
⑺窑坎的使用条件恶劣,备受高温流动玻璃液侵蚀。必须选材精良、施工精细、维护精心,才能经久耐用。⑻窑坎和鼓泡或电助熔配合使用,有可能增强窑坎的作用。但窑坎受到的蚀损将更为严重。
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01? 玻璃与搪瓷 2007年