磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法

2023-06-14 15:49:46 1

專利名稱：磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法
技術領域：
本發明涉及磷酸鹽雷射玻璃，特別是一種磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法。

背景技術：
磷酸鹽玻璃具有聲子能量適中、對稀土離子溶解度高、非線性係數小等優良性質使其成為使用最廣的雷射玻璃介質。磷酸鹽雷射玻璃的應用領域涵蓋了雷射聚變、雷射武器、雷射測距、光通信波導放大器、超短脈衝雷射器應用。
高重複頻率、高平均功率雷射器對雷射玻璃在高強度光泵浦條件下的抗熱衝擊能力要求越來越高。但磷酸鹽玻璃是典型的脆性材料、膨脹係數大且化學穩定性較差，表面和亞表面存在加工引起的缺陷，造成在外力、介質以及熱環境作用下不穩定極易發生裂紋擴展，所以表面缺陷尤其是微裂紋的影響使磷酸鹽雷射玻璃在高強度光泵浦條件下的抗熱衝擊能力較低，限制了磷酸鹽雷射玻璃的應用。
利用化學方法在玻璃表面預製壓應力層從而改善玻璃機械性能的方法稱為化學增強法，又稱離子交換增強法。離子交換增強是玻璃表面增強的一種，其原理是根據離子擴散的機理來改變玻璃表面組成，在一定溫度下把玻璃浸入到高溫熔鹽中，玻璃中的鹼金屬離子與熔鹽中的鹼金屬離子因擴散而發生相互交換，熔鹽中半徑大的離子交換出玻璃表面半徑小的離子，使玻璃表面產生「擠塞」現象，在玻璃表面產生壓應力，從而提高玻璃的強度。
一般的離子交換多用Na+交換玻璃表面的Li+，K+交換玻璃表面的Na+，即半徑大的離子交換半徑小的離子，產生壓應力，使玻璃得強度得到提高。但交換後表面無法得到有效修復，玻璃的化學穩定性會相對降低。


發明內容
本發明提供了一種磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法，該方法能使磷酸鹽雷射玻璃的抗折強度、顯微硬度、脆裂溫度得到很大提高，因此能大幅提高磷酸鹽雷射玻璃在氙燈泵浦下的重複頻率和熱破壞閾值。並且使表面得到修復。能廣泛的應用於磷酸鹽雷射玻璃的表面增強。
本發明的技術解決方案如下 一種磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法，特點在於包括以下步驟 第一步待處理的磷酸鹽雷射玻璃，以下簡稱樣品，用4.0mol/L的NaOH溶液中在60℃處理50分鐘並用去離子水洗淨，之後在80℃用1.0mol/L氫氟酸緩衝液處理40分鐘，最後在常溫下用去離子水洗滌並烘乾； 第二步將配製的NaNO3、KNO3、Ba(NO3)2混合鹽放入離子交換器皿，然後將第一步處理後的樣品放入所述的離子交換器皿中； 第三步將所述的離子交換器皿及其樣品在馬弗爐內320-430oC下，保溫12～16小時後，以80-100℃/小時的速率降溫至50～100℃； 第四步取出樣品用1.0mol/L鹽酸處理後用去離子水洗滌後烘乾。
所述的NaNO3、KNO3、Ba(NO3)2混合鹽的組成和重量百分比如下 組成wt％ NaNO3 10～30 KNO320～40 Ba(NO3)240～70 本發明的優點在於 1、本發明半徑大的鉀離子和鋇離子都能進入玻璃表面形成壓應力層，壓應力層能阻止玻璃表面微裂紋的擴張。
2、本發明離子交換溫度較高，鉀離子和鋇離子交換深度比較深，形成的壓應力層比較厚，能較大提高玻璃的機械強度。
3、本發明鋇離子在高溫下能夠與磷酸鹽玻璃表面不飽和鍵結合，起到對表面鍵的修復作用從而改善表面的物理性能 本發明處理後的磷酸鹽雷射玻璃能形成較厚較好壓應力層，使其具有更高的顯微硬度、抗折強度、脆裂溫度，因此能大幅度提高磷酸鹽雷射玻璃在氙燈泵浦下的重複頻率和熱破壞閾值。



圖1是本發明方法處理後磷酸鹽雷射玻璃的鈉離子交換後表面深度分布圖 圖2是本發明方法處理後磷酸鹽雷射玻璃的鉀離子交換後表面深度分布圖 圖3是本發明方法處理後磷酸鹽雷射玻璃的鋇離子交換後表面深度分布圖
具體實施例方式 下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
第一實施例 本實施例磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法包括以下步驟 第一步樣品用4.0mol/LNaOH在60℃處理50分鐘並用去離子水洗淨，之後在80℃用1.0mol/L氫氟酸緩衝液處理樣品40分鐘，最後在常溫用去離子水洗滌樣品並烘乾。
第二步將第一步處理後樣品放入裝有按所給比例配製的混合硝酸鹽的離子交換器皿中。
第三步離子交換器皿及其樣品在馬弗爐內430oC下保溫14小時後以100℃/小時的速率降溫至100℃。
第四步取出樣品用1.0mol/L鹽酸處理後用去離子水洗滌烘乾。
所述的混合硝酸鹽的組成如下 組成wt％ NaNO3 10％ KNO320％ Ba(NO3)270％ 第二實施例 所述的混合硝酸鹽的組成如下 組成 wt％ NaNO320％ KNO3 20％ Ba(NO3)2 60％ 磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法包括以下步驟 第一步 樣品用4.0mol/LNaOH在60℃處理50分鐘並用去離子水洗淨，之後在80℃用1.0mol/L氫氟酸緩衝液處理樣品40分鐘，最後在常溫用去離子水洗滌樣品並烘乾。
第二步將第一步處理後樣品放入裝有按所給比例配製的混合硝酸鹽的離子交換器皿中。
第三步在馬弗爐內420oC下保溫13小時後以90℃/小時的速率降溫至100℃。
第四步取出樣品用1.0mol/L鹽酸處理後用去離子水洗滌烘乾。
第三實施例 所述的混合硝酸鹽的組成如下 組成 wt％ NaNO3 30％ KNO3 30％ Ba(NO3)2 40％ 磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法包括以下步驟 第一步 樣品用4.0mol/LNaOH在60℃處理50分鐘並用去離子水洗淨，之後在80℃用1.0mol/L氫氟酸緩衝液處理樣品40分鐘，最後在常溫用去離子水洗滌樣品並烘乾。
第二步將第一步處理後樣品放入裝有按所給比例配製的混合硝酸鹽的離子交換器皿中。
第三步在馬弗爐內410oC下保溫16小時後以80℃/小時的速率降溫至90℃。
第四步取出樣品用1.0mol/L鹽酸處理後用去離子水洗滌烘乾。
第四實施例 所述的混合硝酸鹽的組成如下 組成 wt％ NaNO3 25％ KNO3 35％ Ba(NO3)2 40％ 本實施例磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法包括以下步驟 第一步 樣品用4.0mol/LNaOH在60℃處理50分鐘並用去離子水洗淨，之後在80℃用1.0mol/L氫氟酸緩衝液處理樣品40分鐘，最後在常溫用去離子水洗滌樣品並烘乾。
第二步將第一步處理後樣品放入裝有按所給比例配製的混合硝酸鹽的離子交換器皿中。
第三步在馬弗爐內415oC下保溫14小時後以80℃/小時的速率降溫至80℃。
第四步取出樣品用1.0mol/L鹽酸處理後用去離子水洗滌烘乾。
對經本發明方法處理的磷酸鹽雷射玻璃表面增強進行了測試，圖1是本發明方法處理後磷酸鹽雷射玻璃的鈉離子交換後表面深度分布圖，圖2是本發明方法處理後磷酸鹽雷射玻璃的鉀離子交換後表面深度分布圖，圖3是本發明方法處理後磷酸鹽雷射玻璃的鋇離子交換後表面深度分布圖。
下面表1～3給出了本發明處理後相對於其他方法處理後磷酸鹽雷射玻璃的機械強度和抗熱衝擊性能的比較。
表1本發明處理後和其他表面處理方式處理後脆裂溫度對比
表2本發明處理後和其他表面處理方式處理後抗折強度對比 表3本發明處理後和其他表面處理方式處理後顯微硬度對比

權利要求
1.一種磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法，特徵在於包括以下步驟
①待處理的磷酸鹽雷射玻璃，以下簡稱樣品，用4.0mol/L的NaOH溶液中在60℃處理50分鐘並用去離子水洗淨，之後在80℃用1.0mol/L氫氟酸緩衝液處理40分鐘，最後在常溫下用去離子水洗滌並烘乾；
②將配製的NaNO3、KNO3、Ba(NO3)2混合鹽和所述的樣品放入離子交換器皿中；
③將所述的離子交換器皿及其樣品在馬弗爐內320-430℃下，保溫12～16小時後，以80-100℃/小時的速率降溫至50～100℃；
④取出樣品用1.0mol/L鹽酸處理後，用去離子水洗滌後烘乾。
2.根據權利要求1所述的磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法，其特徵在於所述的NaNO3、KNO3、Ba(NO3)2混合鹽的組成和重量百分比如下
組成wt％
NaNO3 10～30
KNO320～40
Ba(NO3)240～70
全文摘要
一種磷酸鹽雷射玻璃表面增強的離子交換方法，包括以下步驟磷酸鹽雷射玻璃用4.0mol/L的NaOH溶液中在60℃處理50分鐘並用去離子水洗淨，在80℃用1.0mol/L氫氟酸緩衝液處理40分鐘，常溫下用去離子水洗滌並烘乾；將配製的NaNO3、KNO3、Ba(NO3)2混合鹽和樣品放入離子交換器皿中；將所述的離子交換器皿及其樣品在馬弗爐內320-430℃下，保溫12～16小時後，以80～100℃/小時的速率降溫至50～100℃；取出樣品用1.0mol/L鹽酸處理後用去離子水洗滌後烘乾。本發明使磷酸鹽雷射玻璃的機械性能很大提高，大幅提高在氙燈泵浦下的重複頻率和熱破壞閾值。
文檔編號C03C21/00GK101811835SQ20101017129
公開日2010年8月25日 申請日期2010年5月11日 優先權日2010年5月11日
發明者胡麗麗, 陳輝宇, 何冬兵, 李順光, 程繼萌, 潘佳佳, 李科峰, 白功勳 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所