一种高硬度高杨氏模量超高折射率的铝钽系氧化物玻璃及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种高硬度高杨氏模量超高折射率的铝钽系氧化物玻璃及其制备方法和应用。所述铝钽系氧化物玻璃的组成包括：Al2O

【技术实现步骤摘要】
一种高硬度高杨氏模量超高折射率的铝钽系氧化物玻璃及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种铝钽系氧化物玻璃及其制备方法和用途，具体涉及一种以Al2O3、Ta2O5为主要成分的氧化物高熵玻璃及其制备方法和用途，属于玻璃材料领域。

技术介绍

[0002]高硬度、高杨氏模量、高折射率的玻璃在生活中起到重要作用，如电子产品盖板材料，光学元件、AR/VR/MR设备等。本专利技术中的铝钽系高熵玻璃具有高密度、高硬度、高杨氏模量、高透过率、高折射率的特性，用作盖板材料时可以大大减小厚度做到更薄，用作窗口材料时可获得更大的视野。这种玻璃能够有效提高智能设备屏幕的抗摔性和耐磨性、减小屏幕厚度、减小设备体积、提高透过率改善视觉效果，在光学棱镜、光学透镜、AR/VR/MR设备中能提高设备抗摔性和耐磨性增大视野，在电子设备改版材料及精密光学器械中具有巨大的应用价值。
[0003]高熵概念最早出现在合金材料中，高熵合金是具有5种及5种以上等原子比成分的合金体系，它表现出四大突出效应：高混合熵效应，迟滞扩散效应，晶格畸变效应和鸡尾酒效应。
[0004]其中高混合熵效应使合金易形成简单的面心立方(FCC)或体心立方(BCC)结构；迟滞扩散效应是指高熵合金的铸造凝固过程中，相分离被抑制而延迟至低温发生的现象，在熔融状态下，各组元原子处于混乱状态，这种有顺序的协同扩散无疑会阻碍原子扩散，抑制晶核长大；结构上的晶格畸变效应使高熵合金的物理和化学性能发生变化，严重的晶格畸变在一定程度上阻碍了原子扩散和位错移动，强化了高熵合金的力学性能等；性能上的鸡尾酒效应最初是由印度学者Ranganathan提出的，他认为各组元的基本属性和它们之间的相互作用造就了高熵合金性能的多样性和复杂性。由于“鸡尾酒”调试工作重复且复杂，阻碍了高熵合金的设计与应用，许多研究者都致力于从理论上证明此现象，从而科学地设计高熵合金成分，使高熵合金拥有硬度高、耐高温、抗腐蚀以及抗氧化等诸多优良特性。
[0005]现有技术中仍然以大量玻璃形成体氧化物为主体(SiO2、B2O3、P2O5)等，这些低离解能氧化物虽然很好的提升了玻璃形成能力，但是对于玻璃的机械性能性能、光学性能造成了一定限制。例如中国专利1(公开号CN115010363A)公开了一种高折射率玻璃组合物和高折射率玻璃及其制备方法和应用与流程，该专利技术中所述高折射率玻璃组合物以质量分数表示的组成包含：3％
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50％SiO2，0％
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18％Na2O，1％
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15％K2O，0.5％
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7％Al2O3，0.5％
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7％MgO，0％
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4％CaO，0.5％
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3％SrO，3.5％
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25％BaO，0％
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7％ZnO，0％
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7％B2O3，0.5％
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17％Nb2O5，0％
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2％Gd2O3，1％
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10％ZrO2，0.5％
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13％Li2O，5％
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43％TiO2，0.01％
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9％La2O3，0％
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3％Bi2O3，所述玻璃组合物中各组分协同作用克服现有高折射率玻璃存在的玻璃密度变大的问题，但该专利技术中使用了大量玻璃形成体氧化物，这也导致玻璃的机械性能不够优异。例如中国专利2(公开号CN112876067A)虽然公开了一种高硬度高杨氏模量氧化物高熵玻璃，但其高熵玻璃硬度最大达到12.58GPa、杨氏模量最大仅达到177.9GPa。而且，上述高熵玻璃中含
有多种着色金属氧化物如TiO2、Sm2O3等，致使做成无色透明玻璃的制备条件更加严苛，限制了其在光学材料中的应用。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术提供了一种铝钽系氧化物玻璃及其制备方法和应用。
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种铝钽系氧化物玻璃，所述铝钽系氧化物玻璃的组成包括：Al2O
3 25～32mol％、Ta2O
5 30～36mol％、ZrO
2 5～12mol％、第一金属氧化物5～15mol％、第二金属氧化物5～15mol％，各组分总摩尔之和计为100mol％；所述第一金属氧化物和第二金属氧化物选自Gd2O3、La2O3、Sc2O3、Tm2O3、Lu2O3、Yb2O3、HfO2、Nb2O5和Ga2O3中两种。
[0008]本专利技术人为了得到一种具有优异的力学性能与光学性能的玻璃，并应用在智能电子设备、AR\VR\MR设备、光学棱镜以及光学透镜上，因此需要玻璃具有无色透明、高折射、高透过、高硬度与高杨氏模量等特性。因此本专利技术人创造性选择不含有着色金属离子的氧化物(排除TiO2、Sm2O3等，参见对比例3)，具体地：选用Al、Ta、Zr等高场强离子提高玻璃堆积密度来提高玻璃力学性能，选用Ta2O5高折射氧化物提升玻璃的折射率，Ta2O5也能提高玻璃抗析晶能力，选用La、Gd、Sc、Tm、Lu等网络修饰体调整玻璃网络结构，并将高熵材料的概念引入到氧化物玻璃中通过高熵材料的鸡尾酒效应进一步提升玻璃的综合性能。
[0009]进一步地，本专利技术人选取高离解能、高堆积密度的氧化物使玻璃具有杨高氏模量、高硬度，因此选择Al2O3、ZrO2、Ta2O5这三种氧化物作为玻璃的主体。由于La2O3、Sc2O3、Tm2O3、Lu2O3、Gd2O3等氧化物在修饰体中离解能、堆积密度高，因此选择这些中的任意两种组合加入玻璃来提高玻璃的光学性能以及玻璃形成能力。因此，本专利技术人创造性地选取了Ta2O5、ZrO2、Al2O3，以及Gd2O3以及La2O3、Sc2O3、Tm2O3、Lu2O3中两种作为第一和第二氧化物，利用多种高离解能氧化物制备出铝钽系高熵玻璃。
[0010]更进一步考虑到高熵概念，本专利技术人首先将各组元的摩尔百分比控制在5％
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36％范围附近，再结合所选取的Ta2O5、ZrO2、Al2O3均具有较高的解离能，有助于提高氧化物玻璃的堆积密度从而使玻璃具有高硬度高杨氏模量，所选取的Ta2O5为高折射率氧化物且Ta
5+
具有高场强有助于提高玻璃的折射率等性能要求，并尽量控制在等摩尔比附近。但是本专利技术人通过研究(参见对比例2)发现，所得铝钽系氧化物中晶相析出，形成陶瓷，其形成陶瓷的主要原因是因为熔体黏度小导致原子更容易重新排列有利于晶粒的生长导致析晶。本专利技术人进一步调控提高Ta2O5、ZrO2、Al2O3的含量，并降低La2O3、Sc2O3、Tm2O3、Lu2O3等的含量至16mol％(参见对比例1)，发现所得铝钽系氧化物仍为陶瓷。因此，本专利技术人进一步降低La2O3、Sc2O3、Tm2O3、Lu2O3等的含量至5
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15mol％，发现所得铝钽系氧化物才形成玻璃相。
[0011]较佳的，所述铝钽系氧化物玻璃为无定形相；所述第一金属氧化物和第二金属氧化物的摩尔比为1:3～3:本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝钽系氧化物玻璃，其特征在于，所述铝钽系氧化物玻璃的组成包括：Al2O
3 25～32mol％、Ta2O
5 30～36mol％、ZrO
2 5～12mol％、第一金属氧化物5～15mol％、第二金属氧化物5～15mol％，各组分总摩尔之和计为100mol％；所述第一金属氧化物和第二金属氧化物选自Gd2O3、La2O3、Sc2O3、Tm2O3、Lu2O3、Yb2O3、HfO2、Nb2O5和Ga2O3中两种。2.根据权利要求1所述的铝钽系氧化物玻璃，其特征在于，所述铝钽系氧化物玻璃的组成包括：Al2O
3 30～32mol％、Ta2O
5 34～36mol％、ZrO
2 10～12mol％、第一金属氧化物5～12mol％、第二金属氧化物5～12mol％，各组分总摩尔之和计为100mol％；所述铝钽系氧化物玻璃为无定形相；所述第一金属氧化物和第二金属氧化物的摩尔比为1:3～3:1。3.根据权利要求1或2所述的铝钽系氧化物玻璃，其特征在于，所述铝钽系氧化物玻璃的组成包括：Al2O
3 25～30mol％、Ta2O
5 30～36mol％、ZrO
2 5～12mol％、第一金属氧化物10～12mol％；第二金属氧化物10～12mol％；各组分总摩尔之和计为100mol％。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的铝钽系氧化物玻璃，其特征在于，所述铝钽系氧化物玻璃的杨氏模量≥170GPa，优选≥180GPa；所述铝钽系氧化物玻璃的硬度≥9GP...

【专利技术属性】
技术研发人员：余野建定，马凯成，李勤，袁强，石云，贺欢，倪津崎，方婧红，熊逸飞，李同同，张乾，刘学超，张明辉，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：