[发明专利]在可见和红外范围内透明的纳米结构的透镜和玻璃陶瓷

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构的、透明的或半透明的新型玻璃陶瓷或玻璃组合物、它们的制造方法以及它们的用途。

背景技术

光学应用需要使用透明的或至少半透明的玻璃陶瓷或玻璃。感兴趣的波长为可见光光谱(即在400nm至800nm之间的范围内)，和在800nm至8000nm之间的红外范围内的那些波长。

之前已描述了透明或半透明的纳米结构材料的组合物。然而，这些基本上指由纳米和玻璃陶瓷前体制得的多晶陶瓷。

制造多晶陶瓷的方法通常应用纳米粒子形式的前体，所述前体由于其复杂的合成而是相对昂贵的，如在Krell等人的工作(Transparentcompactceramics:Inherentphysicalissues.Opticalmaterials2009,31(8),1144-1150)中所示。粒子进行压制阶段，之后进行在通常高于1500℃的温度下和通常在高压下的烧结(熔结)阶段。晶体生长在所述烧结阶段过程中发生。此外，应注意这种陶瓷的前体存在实际的健康危害。

由纳米前体制得的这种透明多晶陶瓷极好地适用于光学中的高性能应用，但对于大多数常见应用(例如显示器、光成像或医学成像工序)而言需要极高的生产成本。

因此，需要新的在至多8μm的可见和红外范围内(波长在400nm至8μm之间)透明或半透明的玻璃和玻璃陶瓷，其结合了调节其光学性质的能力以及相对便宜的例如玻璃制造型的制造工序。

使用玻璃制造工序获得，但含有氟(氟化物和氟氧化物)或硫属元素(包括硫化物)的基于锗酸盐和/或硅酸盐的透明或半透明玻璃陶瓷之前已描述于文献中，例如在DePablos-Martin等人(2012)，InternationalMaterialsReviews57(3):165-186和Zhang等人，JournalofNon-CrystallineSolids,2004,337,130-135的文章中。这些显示出在可见光和红外内的高透明性，但具有低的化学稳定性。此外，在高温下极具挥发性的氟是高度腐蚀性和毒性的，因此需要使用昂贵的安全工业厂房。

也已描述了使用玻璃制造工序获得，但含有氧化钡(BaO；参见US2005/0159289)、铝酸盐(Al₂O₃；参见US2003/00133593和WO01/28943)、氧化锂(Sigaev等人，Nanotechnology23(2012)017087pp)或具有高氧化钠含量(Na₂O的摩尔水平大于8％；参见Zhou等人，Adv.Funct.Mater.2009,19,2081-2088)的基于锗酸盐和/或硅酸盐的透明或半透明玻璃陶瓷。

Bayya等人(US5,786,287)已报道Y₂O₃、La₂O₃或Gd₂O₃高的玻璃陶瓷。因此，在这些玻璃陶瓷中，Y₂O₃、La₂O₃或Gd₂O₃不能被解释为简单的掺杂剂。应特别地注意，根据Bayya等人制得的玻璃陶瓷仅在红外范围(2μm至5μm之间的范围内的波长)中是透明的，但在可见光下不透明，并显示极高的结晶率(大于80体积％)。此外，所描述的玻璃不显示纳米结构。

此外，Duan等人(AppliedPhysicsLetters2006,89,183119，以及JournalofNon-CrystallineSolids2008,354,4695-4697)和Yu等人(JournalofPhysicsandChemistryofSolids2010,71,1656-1659，以及PhysicaB2011,406,3101-3103)描述了SiO₂高的纳米晶玻璃陶瓷。这种玻璃陶瓷由使用溶胶凝胶法获得的固体通过热处理而获得，因此这种玻璃陶瓷不通过玻璃制造工序获得，因为中间固体不是玻璃，而是经干燥的凝胶。此外，这种玻璃陶瓷组合物含有89摩尔％和90摩尔％的SiO₂。使用Duan等人和Yu等人的工序产生的材料仅对应于有限范围的玻璃陶瓷，因此也仅对应于有限范围的光学性质。也可提及Lipinska-Kalita等人(J.Non-CrystallineSolids352(2006)524-527)的SiO₂高的玻璃陶瓷。