华南理工大学周时凤教授课题组《Adv. Mater.》：玻璃晶化法制备双相光学透明陶瓷和光纤

光学透明陶瓷被广泛应用于各种重要领域，包括透明装甲、激光应用、智能照明、辐射检测和电光器件等。目前，在高压和高温条件下进行烧结是制备透明陶瓷的主要手段，常压环境下的样品制备和微米级尺寸复杂形状的样品制备具有较大的挑战性。

近日，华南理工大学周时凤教授课题组及合作单位在《Advanced Materials》期刊上发表了题为”Hybridization Engineering of Oxyfluoride Aluminosilicate Glass for Construction of Dual-Phase Optical Ceramics”的文章(DOI: 10.1002/adma.202205578）。玻璃材料具有在常压环境下通过简单的热处理致密析晶形成透明陶瓷的潜力，然而能够同时满足良好玻璃形成能力和保持透明性致密析晶的玻璃种类有限。为打破这种限制，该课题组提出基于杂化玻璃体系研制透明陶瓷的新策略：通过在多组分玻璃体系中同时引入氧化物和氟化物调控玻璃的形成能力和析晶行为。一方面，氟化物的引入起到了调整玻璃网络结构的作用，降低玻璃的粘度，提高了析晶过程中的离子扩散和迁移效率，使得玻璃内部的晶体形核和生长过程所需的能量更低；另一方面，杂化改性将整个析晶过程分解为两步，即纳米级的氟化物晶体优先析出，随后微米级的氧化物晶体包裹氟化物晶体析出，通过该分步析晶的方式提高了玻璃致密析晶的能力。综上，该策略通过分解并降低析晶过程中的能量“势垒”，使材料致密析晶的过程更加温和平缓，最终形成具有双相结构的透明陶瓷。

上述方法具有普适性，文章介绍了多个可通过该策略形成氟氧化物双相透明陶瓷的材料体系。另外，该方法可用于制备不同形状和结构的透明陶瓷。如研究成功制备了透明陶瓷光纤，它具有微米级的尺寸和一定的导光性能。由于玻璃具有易成型加工的特点，制备复杂形状的透明陶瓷是玻璃晶化法的优势之一，如文章演示了透明陶瓷光纤的横截面可以被加工成正方形、三角形和梯形等特殊形状。最后，文章演示了所获得双相透明陶瓷的光学应用，如通过引入发光稀土离子实现光谱转换，演示了X射线成像的应用，证明了该方法制备的透明陶瓷具有较强的应用潜力。

图1 杂化工程策略的演示示意图（a）常规玻璃和杂化玻璃析晶的过程示意图 （b）常规玻璃和杂化玻璃析晶过程的能量变化示意图 （c）玻璃材料可以制备的不同形状的透明陶瓷示意图

图2 双相透明陶瓷形成机制的理论分析 （a-c）对分布函数分析 （d）BASL体系中的环尺寸分布（e）BASL体系中的五元环（f）BASL系统模拟平衡后的原子分布图

图3具有光纤形状的双相透明陶瓷的结构表征（a）放在画有两条黑线的基板上的陶瓷光纤照片（b）陶瓷光纤的光学显微镜照片（c）进行拉曼光谱分析的陶瓷光纤区域的光学显微镜照片（d）图c中各点的拉曼光谱（e）在~112、~175、~250、~356、~468和~511 cm^-1

波数下的拉曼面扫图

图4杂化工程策略的普适性（a）SASL和BASG双相陶瓷的XRD图谱（b，c）SASL和BASG双相陶瓷的光学显微镜照片（d-i）不同形状的BASL陶瓷光纤的SEM照片

图5 BASL双相陶瓷的光学应用（a）掺杂后的BASL双相陶瓷在紫外光激发下的照片（b）掺杂后的BASL双相陶瓷在紫外光激发下的光谱（c）射线成像系统的示意图（d-g）胶囊和芯片的照片及X射线成像照片

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202205578