一种高折射率光学玻璃及其制备方法与流程

1.本发明涉及光学玻璃技术领域，具体为一种高折射率光学玻璃及其制备方法。


背景技术：

2.光学玻璃是一种以折射率、阿贝数、透过率为主关键技术，通过折射、反射透过方式传递光线的玻璃材料。其被用于制造透镜、棱镜、反射镜、窗口等，被广泛应用在摄像头、显微镜等光学仪器中。其中，高折射率和色散决定了光学玻璃的基本性能。目前研究的，由于折射率越高，光学玻璃越薄越轻，透光率更好，所以追求制备更高折射率的光学玻璃。但是，通常情况下折射率与色散呈反比，折射率的升高会导致色散增加，使得图像模糊，从而影响使用。因此，需要制备高折射、低色散的光学玻璃。
3.现有研究中，高折射、低色散的光学玻璃通常通过镧系金属氧化物的加入实现该技术要求。但镧系金属氧化物一方面会限制折射率的增加，同时制作成本较高。因此，在之前研究的专利cn202110218396.7中，将氧化钨与la2o3、y2o3、 in2o3配合实现了高折射、低色散的功能。但是，该专利中由于使用的氧化钨和氧化锌具有强腐蚀性，会增加制备过程中对设备的侵蚀；同时，未公开具体的抗反射涂层，折射率等性能有待进一步提高。另外，用于光学仪器中光学玻璃通常采用丙酮作为擦洗溶剂，因此，耐丙酮性能也是光学玻璃需要具备的性能之一。
4.因此，为解决上述问题，并进一步提高光学玻璃的折射率，增加光学玻璃的抗反射性和耐丙酮性。公开了一种高折射光学玻璃及其制备方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种高折射率光学玻璃及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种高折射率光学玻璃，所述高折射率光学玻璃包括基础玻璃和防反射涂层；所述基础玻璃的原材料中包含in
‑
w复合纳米粒子；所述in
‑
w复合纳米粒子由质量比为（0.5~0.7）:1的wo3与in2o3预掺杂得到的。
7.较为优化地，所述基础玻璃的原材料包含基础材料和功能材料；所述基础材料包括以下成分：按重量计：22~30份in
‑
w复合纳米粒子；12~18份la2o3；2~4份y2o3；34~38份b2o3；8~10份sio2；25~28份zn
‑
bi2o3；所述功能材料包括以下成分：按重量计，15~20份ce
‑
cu
‑
tio2；5~9份al2o3；1~5份nb2o5；1~5份ta2o5；1~2份li2o。
8.较为优化地，所述zn
‑
bi2o3是bi2o3掺杂zn
2
得到的，掺杂量为8~10wt%；所述ce
‑
cu
‑
tio2是tio2中掺杂cu
2
和ce
2
得到的，cu
2
掺杂量为10~15wt%、ce
2
掺杂量为15~18%。
9.较为优化地，一种高折射率光学玻璃的制备方法，：包括以下步骤：步骤1：（1）将22~30份in
‑
w复合纳米粒子；12~18份la2o3；2~4份y2o3；34~38份b2o3；8~10份sio2；25~28份zn
‑
bi2o3混合均匀，得到基础材料；15~20份ce
‑
cu
‑
tio2；5~9份al2o3；1~5
份nb2o5；1~5份ta2o5；1~2份li2o混合均匀，得到功能材料；（2）将基础材料在温度为1400~1500℃加热熔融，保温，降低温度至680~720℃；分多次加入功能材料，再次升温至1500~1600℃，保温，澄清，将其浇铸在670~680℃模具中保温4~5小时，设置冷却速度为15~20℃缓冷；将其置于γ射线下，设置剂量范围为5~10 kgy，辐照，得到基础玻璃；步骤2：将基础玻璃清洗干燥，将其置于含有2.5mol/l的氢氧化铵溶液的高温高压反应釜中，设置温度为100~150℃浸泡4~6小时，洗涤，氮气干燥；喷涂减反射溶液在其表面，100~110℃干燥；转移至大气等离子体放电装置中，介质阻挡放电，设置空气间隙为8mm，在30v电压下，处理3~5分钟，得到高折射率光学玻璃。
10.较为优化地，步骤1中，所述zn
‑
bi2o3的制备方法为：将硝酸铋超声分散在乙二醇中，滴加硝酸锌溶液；超声均质；将得到的溶液置于微波反应器中，设置功率为520w反应2~6分钟，洗涤过滤干燥；转移至高温炉中设置，设置温度为500~600℃反应1~2小时，得到zn
‑
bi2o3。
11.较为优化地，步骤1中，所述ce
‑
cu
‑
tio2的制备方法为：将钛酸四丁酯、无水乙醇、氢氟酸混合均匀，加入硝酸铜、硝酸铈，连续搅拌3~4小时，得到混合溶液，将其置于高压反应釜中，设置温度为160℃，水热反应24小时，洗涤过滤干燥；转移高温炉中，在氮气氛围下设置温度为400~500℃煅烧2~3小时，得到ce
‑
cu
‑ꢀ
tio2。
12.较为优化地，步骤1中，所述in
‑
w复合纳米粒子制备方法为：将偏钨酸铵溶解在去离子水中，加入硝酸铟，搅拌形成溶胶，加入聚乙烯醇溶液，滴加硝酸，均质化；冻干；转移至高温箱中，设置450~550℃煅烧4小时，得到in
‑
w复合纳米粒子。
13.较为优化地，所述聚乙烯醇溶液的浓度为4~6wt%；所述聚乙烯醇溶液与溶胶的质量比为4:1。
14.较为优化地，步骤2中，所述减反射溶液的制备方法为：将3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、γ
‑
环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇；依次加入n
‑
乙基
‑
n
‑
(3
‑
二甲基丙基)碳二亚胺、n
‑
羟基琥珀酰亚胺、硬脂酸；加入二氧化硅纳米粒子，均质化，得到减反射溶液；其中，3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷与γ
‑
环氧丙氧丙基三甲氧基硅的质量比为（3~4）:1；所述二氧化硅纳米粒子在减反射溶液中的浓度为1~1.2g/l；所述硬脂酸加入量是两种硅氧烷质量的30%~35%。
15.本技术方案中，依然采用wo3代替gd2o3，并与in2o3、 la2o3、y2o3配合，制备具有低色散性能的高折射率光学玻璃。
16.（1）将钨于掺杂在in2o3中得到in
‑
w复合纳米粒子，该复合纳米粒子中含有少量的wo3和in2o3、以及绝大部分的in
‑
w互掺的纳米粒子氧化物。该过程中，降低了wo3直接用量，因为wo3和in2o3氧化物的不稳定性，光照下，光生电子
‑
空穴具有强氧化能力，与不稳定金属离子产生腐蚀性，会损害设备，降低设备的使用寿命。而预先掺杂，使得两种金属间偶极相互作用改善，使得光吸收带隙重整，降低了wo3的着色性，进一步增强了光学玻璃的折射率和透光率，也因此，方案中wo3和in2o3两种金属用量降低，同时也进一步增强了玻璃的耐腐蚀性。
17.（2）加入了zn
‑
bi2o3；同样的，为了降低制备工程中，对设备的侵蚀，方案中未使用氧化锌，直接将锌离子掺杂在bi2o3中，增强了bi2o3熔融的同时，增强了玻璃的稳定性。通常情况下，bi2o3较多时会增加玻璃密度，同时也增加了熔制的工艺难度；同时，由于氧化锌未加入会产生析晶现象；但是将两者提前掺杂，优化互补，解决了存在的难点。
18.另外，zn
‑
bi2o3与sio2可以生成高折射、低色散的高透型硅酸铋结晶，进一步增强玻璃的性能和品质。当然为了促进该晶相的形成，加入了掺杂有铜离子的ce
‑
cu
‑
tio2。其中，同样的铜离子的掺杂是为了降低对设备的侵蚀。同时，ce和ti形成的效应，使得玻璃具有光学稳定性，使得玻璃在辐照下，可以通过网络解聚实现微观结构的重构化，恢复结构缺陷，具有辐射稳定性。而cu和ti之间的效应，使得体系中的活化能降低，诱导硅酸铋的形成，加快形成速度，生长效率高，完整性好，从而增强可见光波段的透过性。此外，γ射线处理，使得二价铜转变为一价铜，在原有二价铜的网路位置上，促进玻璃网络交联，降低玻璃中平均晶粒的粒径，增强玻璃的强度和密度。
19.（3）其他各组分的作用：b2o3和sio2是玻璃中网络形成体，形成坚固的硅氧四面体三维网络。ta2o5降低色散。nb2o5降低液相温度，抗析晶；li2o协同形成的硅酸铋降低玻璃的tg温度。
20.（4）通常情况下，光学仪器都会用丙酮擦拭，因此为了降低玻璃的反射能力，和光学玻璃的耐丙酮性能，在玻璃表面涂覆了减反射涂层。而减反射性来自于纳米纹理形成，增加了光传输路径。
21.使用氢氧化铵在一定温度下对玻璃的表面做处理，形成具有形成均匀的纳米网络，然后利用玻璃表面侵蚀形成的纳米孔，促进了羟基离子的扩散，然后将在n
‑
乙基
‑
n
‑
(3
‑
二甲基丙基)碳二亚胺的作用下，利用n
‑
羟基琥珀酰亚胺将硬脂酸固定在氨化的纳米网络上。增强疏水性。另外，涂料中，存在3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、γ
‑
环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷两种硅氧烷，在大气等离子体的作用下，接有氨基的二氧化硅在等离子体诱导下化学键固定；同时大量未接枝的硅氧烷往涂层顶部迁移，进而活性氧促进了两种硅氧烷与二氧化硅之间的交联，提高了涂层的强度和自清洁性。使得涂层具有耐丙酮性能。
22.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：（1）利用wo3和in2o3预掺杂，抑制单金属氧化物的侵蚀性，并利用两种金属间偶极相互作用，使得光吸收带隙重整，进一步增强了光学玻璃的折射率和透光率，降低了wo3和in2o3两种金属用量，同时也进一步增强了玻璃的耐腐蚀性；（2）利用zn
‑
bi2o3中锌金属掺杂，增加助熔性的同时增强玻璃的改写；（3）利用ce
‑
cu
‑
tio2中金属效应，诱导生成高折射、低色散的高透型硅酸铋结晶，进一步增强玻璃的性能和品质。利用γ射线处理，使得二价铜转变为一价铜，促进玻璃网络交联，降低玻璃中平均晶粒的粒径，增强玻璃的强度和密度。（4）利用减反射膜中的性质，增强光学玻璃的减反射性、自清洁性和耐丙酮性。
具体实施方式
23.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.实施例1：步骤1：（1）将硝酸铋超声分散在乙二醇中，滴加硝酸锌溶液；超声均质；将得到的溶液置于微波反应器中，设置功率为520w反应5分钟，洗涤过滤干燥；转移至高温炉中设置，设置温度为550℃反应1.5小时，得到zn
‑
bi2o3。（2）将钛酸四丁酯、无水乙醇、氢氟酸混合均
匀，加入硝酸铜、硝酸铈，连续搅拌3.5小时，得到混合溶液，将其置于高压反应釜中，设置温度为160℃，水热反应24小时，洗涤过滤干燥；转移高温炉中，在氮气氛围下设置温度为450℃煅烧2.5小时，得到ce
‑
cu
‑ꢀ
tio2。（3）将偏钨酸铵溶解在去离子水中，加入硝酸铟，搅拌形成溶胶，加入聚乙烯醇溶液，滴加硝酸，均质化；冻干；转移至高温箱中，设置500℃煅烧4小时，得到in
‑
w复合纳米粒子。
25.步骤2：（1）将28份in
‑
w复合纳米粒子；16份la2o3；3份y2o3；35份b2o3；9份sio2；26份zn
‑
bi2o3混合均匀，得到基础材料；将18份ce
‑
cu
‑
tio2；6份al2o3；2份nb2o5；2份ta2o5；2份li2o混合均匀得到功能材料；（2）将基础材料在温度为1450℃加热熔融，保温，降低温度至700℃；分多次加入功能材料，再次升温至1550℃，保温，澄清，将其浇铸在675℃模具中保温4小时，设置冷却速度为18℃缓冷；将其置于γ射线下，设置剂量范围为8 kgy，辐照，得到基础玻璃；步骤3：（1）将基础玻璃清洗干燥，将其置于含有2.5mol/l的氢氧化铵溶液的高温高压反应釜中，设置温度为150℃浸泡4小时，洗涤，氮气干燥；（2）将3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、γ
‑
环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇；依次加入n
‑
乙基
‑
n
‑
(3
‑
二甲基丙基)碳二亚胺、n
‑
羟基琥珀酰亚胺、硬脂酸；加入二氧化硅纳米粒子，均质化，得到减反射溶液；（3）喷涂减反射溶液在其表面，105℃干燥；转移至大气等离子体放电装置中，介质阻挡放电，设置空气间隙为8mm，在30v电压下，处理4分钟，得到高折射率光学玻璃。
26.本方案中，所述in
‑
w复合纳米粒子由质量比为0.6：1的wo3与in2o3预掺杂得到的。所述zn
‑
bi2o3是bi2o3掺杂zn
2
得到的，掺杂量为9wt%；所述ce
‑
cu
‑
tio2是tio2中掺杂cu
2
和ce
2
得到的，cu
2
掺杂量为12wt%、ce
2
掺杂量为16%。所述聚乙烯醇溶液的浓度为3wt%；所述聚乙烯醇溶液与溶胶的质量比为4:1。所述3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷与γ
‑
环氧丙氧丙基三甲氧基硅的质量比为3.5:1；所述二氧化硅纳米粒子在减反射溶液中的浓度为1.2g/l；所述硬脂酸加入量是两种硅氧烷质量的32%。
27.实施例2：步骤1：（1）将硝酸铋超声分散在乙二醇中，滴加硝酸锌溶液；超声均质；将得到的溶液置于微波反应器中，设置功率为520w反应2分钟，洗涤过滤干燥；转移至高温炉中设置，设置温度为500℃反应1小时，得到zn
‑
bi2o3。（2）将钛酸四丁酯、无水乙醇、氢氟酸混合均匀，加入硝酸铜、硝酸铈，连续搅拌3小时，得到混合溶液，将其置于高压反应釜中，设置温度为160℃，水热反应24小时，洗涤过滤干燥；转移高温炉中，在氮气氛围下设置温度为400℃煅烧2~3小时，得到ce
‑
cu
‑ꢀ
tio2。（3）将偏钨酸铵溶解在去离子水中，加入硝酸铟，搅拌形成溶胶，加入聚乙烯醇溶液，滴加硝酸，均质化；冻干；转移至高温箱中，设置450℃煅烧4小时，得到in
‑
w复合纳米粒子。
28.步骤2：（1）将22份in
‑
w复合纳米粒子；12份la2o3；2份y2o3；34份b2o3；8份sio2；25份zn
‑
bi2o3混合均匀，得到基础材料；将15份ce
‑
cu
‑
tio2；5份al2o3；1份nb2o5；1份ta2o5；1份li2o混合均匀得到功能材料；（2）将基础材料在温度为1400℃加热熔融，保温，降低温度至680℃；分多次加入功能材料，再次升温至1500℃，保温，澄清，将其浇铸在670℃模具中保温4小时，设置冷却速度为15℃缓冷；将其置于γ射线下，设置剂量范围为5 kgy，辐照，得到基础玻璃；步骤3：（1）将基础玻璃清洗干燥，将其置于含有2.5mol/l的氢氧化铵溶液的高温
高压反应釜中，设置温度为100℃浸泡4小时，洗涤，氮气干燥；（2）将3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、γ
‑
环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇；依次加入n
‑
乙基
‑
n
‑
(3
‑
二甲基丙基)碳二亚胺、n
‑
羟基琥珀酰亚胺、硬脂酸；加入二氧化硅纳米粒子，均质化，得到减反射溶液；（3）喷涂减反射溶液在其表面，100℃干燥；转移至大气等离子体放电装置中，介质阻挡放电，设置空气间隙为8mm，在30v电压下，处理3分钟，得到高折射率光学玻璃。
29.本方案中，所述in
‑
w复合纳米粒子由质量比为0.5：1的wo3与in2o3预掺杂得到的。所述zn
‑
bi2o3是bi2o3掺杂zn
2
得到的，掺杂量为8wt%；所述ce
‑
cu
‑
tio2是tio2中掺杂cu
2
和ce
2
得到的，cu
2
掺杂量为10wt%、ce
2
掺杂量为15%。所述聚乙烯醇溶液的浓度为4wt%；所述聚乙烯醇溶液与溶胶的质量比为4:1。所述3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷与γ
‑
环氧丙氧丙基三甲氧基硅的质量比为3:1；所述二氧化硅纳米粒子在减反射溶液中的浓度为1g/l；所述硬脂酸加入量是两种硅氧烷质量的30%。
30.实施例3：步骤1：（1）将硝酸铋超声分散在乙二醇中，滴加硝酸锌溶液；超声均质；将得到的溶液置于微波反应器中，设置功率为520w反应6分钟，洗涤过滤干燥；转移至高温炉中设置，设置温度为600℃反应2小时，得到zn
‑
bi2o3。（2）将钛酸四丁酯、无水乙醇、氢氟酸混合均匀，加入硝酸铜、硝酸铈，连续搅拌4小时，得到混合溶液，将其置于高压反应釜中，设置温度为160℃，水热反应24小时，洗涤过滤干燥；转移高温炉中，在氮气氛围下设置温度为500℃煅烧3小时，得到ce
‑
cu
‑ꢀ
tio2。（3）将偏钨酸铵溶解在去离子水中，加入硝酸铟，搅拌形成溶胶，加入聚乙烯醇溶液，滴加硝酸，均质化；冻干；转移至高温箱中，设置550℃煅烧4小时，得到in
‑
w复合纳米粒子。
31.步骤2：（1）将30份in
‑
w复合纳米粒子；18份la2o3；4份y2o3；38份b2o3；10份sio2；28份zn
‑
bi2o3混合均匀，得到基础材料；将20份ce
‑
cu
‑
tio2；9份al2o3；5份nb2o5；5份ta2o5；2份li2o混合均匀得到功能材料；（2）将基础材料在温度为1500℃加热熔融，保温，降低温度至720℃；分多次加入功能材料，再次升温至1600℃，保温，澄清，将其浇铸在680℃模具中保温5小时，设置冷却速度为20℃缓冷；将其置于γ射线下，设置剂量范围为10 kgy，辐照，得到基础玻璃；步骤3：（1）将基础玻璃清洗干燥，将其置于含有2.5mol/l的氢氧化铵溶液的高温高压反应釜中，设置温度为150℃浸泡6小时，洗涤，氮气干燥；（2）将3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷、γ
‑
环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷溶于乙醇；依次加入n
‑
乙基
‑
n
‑
(3
‑
二甲基丙基)碳二亚胺、n
‑
羟基琥珀酰亚胺、硬脂酸；加入二氧化硅纳米粒子，均质化，得到减反射溶液；（3）喷涂减反射溶液在其表面，110℃干燥；转移至大气等离子体放电装置中，介质阻挡放电，设置空气间隙为8mm，在30v电压下，处理5分钟，得到高折射率光学玻璃。
32.本方案中，所述in
‑
w复合纳米粒子由质量比为0.7：1的wo3与in2o3预掺杂得到的。所述zn
‑
bi2o3是bi2o3掺杂zn
2
得到的，掺杂量为10wt%；所述ce
‑
cu
‑
tio2是tio2中掺杂cu
2
和ce
2
得到的，cu
2
掺杂量为15wt%、ce
2
掺杂量为18%。所述聚乙烯醇溶液的浓度为6wt%；所述聚乙烯醇溶液与溶胶的质量比为4:1。所述3
‑
氨丙基三乙氧基硅烷与γ
‑
环氧丙氧丙基三甲氧基硅的质量比为4:1；所述二氧化硅纳米粒子在减反射溶液中的浓度为1~1.2g/l；所述硬脂酸加入量是两种硅氧烷质量的35%。
33.实施例4：参照专利cn112960903a中的制备方案，将wo3与in2o3分开加入；其余与实
施例1相同。
34.实施例5：ce
‑
cu
‑
tio2不掺杂ce；其余与实施例1相同。
35.实施例6：ce
‑
cu
‑
tio2不掺杂cu；其余与实施例1相同。
36.实施例7：不进行γ射线处理，其余与实施例1相同。
37.实施例8：不进行大气等离子体处理，其余与实施例1相同。
38.实验：取实施例1~8制备的一种高折射光学玻璃进行各项性能测试，将包括折射率、阿贝数、密度、硬度；同时将该玻璃在380~780nm可见波长范围内，进行反射率检测。所得数据如下表所示：实施例折射率阿贝数密度g/cm3硬度
×
107pa反射率%实施例13.2802.58111.8实施例22.8762.68092.0实施例32.9752.88061.9实施例42.8742.98041.9实施例53.0783.77362.2实施例62.2684.07822.4实施例73.0763.27901.9实施例83.3792.98084.2结论：如表中数据所示，实施例1~3的中制备得到了具有低色散、抗反射的一种高折射率光学玻璃。对比专利cn112960903a中的得到的数据，本方案中的折射率更高。原因是金属掺杂产生的带隙变化，以及其他元素的变更所引起的。
39.将实施例4的数据与专利cn112960903a相比，该实施例中，虽然方案中wo3和in2o3两种金属用量降低，但是所得折射率高，硬度更好。原因是zn
‑
bi2o3的加入增强了bi2o3熔融的同时增强了玻璃的稳定性，同时zn
‑
bi2o3与sio2可以生成高折射、低色散的高透型硅酸铋结晶，进一步增强玻璃的性能和品质。以及其他元素和工艺变动产生的变化。将其与实施例1相比，可以发现：折射率和阿贝数明显降低，原因是：预先掺杂，使得两种金属间偶极相互作用改善，使得光吸收带隙重整，降低了wo3的着色性，进一步增强了光学玻璃的折射率和透光率。
40.将实施例5的数据与实施例1相比，可以发现：不掺杂ce，使得密度升高，同时强度降低，原因是：ce和ti形成的效应，使得玻璃具有光学稳定性，使得玻璃在辐照下，可以通过网络解聚实现微观结构的重构化，恢复结构缺陷，具有辐射稳定性。后续过程中有辐照过程，影响了硬度。
41.将实施例6的数据与实施例1相比，可以发现：不掺杂cu，使得折射率下降、色散升高、同时密度升高、强度降低。原因是：cu和ti之间的效应，使得体系中的活化能降低，诱导硅酸铋的形成，加快形成速度，生长效率高，完整性好，从而增强可见光波段的透过性。
42.将实施例7与实施例1相比，可以发现：强度下降；原因是γ射线处理，使得二价铜转变为一价铜，在原有二价铜的网路位置上，促进玻璃网络交联，降低玻璃中平均晶粒的粒径，增强玻璃的强度。将实施例8与实施例1相比，可以发现：反射率增加，原因是粗糙度下降，利用减反射膜中的性质，增强光学玻璃的减反射性、自清洁性和耐丙酮性。
43.同时，我们将实施例1和实施例8的玻璃共同浸泡在并溶液中3天，实施例8的表面
有物质析出，出现老化现象。而实施例1并未出现老化。
44.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。