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稀土氧化鈰復合玻璃的研究進展
內(nèi)蒙古科技大學材料與冶金學院 邵明迪，李梅，張曉偉 2014/3/21 8:06:00
摘要：結(jié)合平板玻璃生產(chǎn)實際，著重介紹了玻璃生產(chǎn)中使用的氧化鈰的特性及其主要影響因素，同時也介紹了氧化鈰的使用對玻璃生產(chǎn)的影響及其相關(guān)技術(shù)措施等問題。
關(guān)鍵詞：玻璃；氧化鈰；應(yīng)用
1. 概 述
鈰是稀土元素中豐度最高的元素，原子的價電子層結(jié)構(gòu)可表示為:〔Xe〕4f15d16s2，可氧化成不同的價態(tài)，其氧化物主要有二氧化鈰(CeO2)和三氧化二鈰(Ce2O3)。CeO2屬于立方晶系，具有螢石結(jié)構(gòu)。CeO2作為一種典型的稀土氧化物有著多方面的功能特性，被廣泛用于電子陶瓷[1]、玻璃拋光[2]、耐輻射玻璃[3]、發(fā)光材料等。近幾年來，氧化鈰在玻璃生產(chǎn)中的用途日益廣泛，用量增加較快，前景廣闊，可以起到對玻璃的著色，脫色，澄清等作用，并且在玻璃中添加鈰離子還能使產(chǎn)品具有吸收紫外線的功能。
2. 氧化鈰的特性應(yīng)用
2.1氧化鈰對玻璃著色作用
稀土能使玻璃著色，是由于玻璃中溶解了著色的稀土離子。所有稀土元素（除La、Y、Lu外）的化合物在光譜的紫外線、可見光線及紅外線區(qū)（380-780nm）中出現(xiàn)明顯的吸收帶。稀土離子著色的玻璃重現(xiàn)性好，不隨熔煉氣氛變化而改變，用它制成的有色玻璃色調(diào)正、透光性好、光澤強，常比其他離子和膠體著色好。
鈰的3價或4價離子均為無色，含鈰的玻璃的著色是由于形成其他金屬的鈰酸鹽而造成的。由于鈰在玻璃中的價態(tài)配位均易變化，氧化鈰對玻璃的著色規(guī)律復雜。氧化鈰在玻璃中以Ce4+↔Ce3+的平衡狀態(tài)存在，并隨著玻璃的熔化氣氛而變動，鈰的著色離子為Ce4+。影響平衡的因素有：玻璃組成、鈰的總含量以及玻璃的熔制溫度和氣氛等。一般提高玻璃基礎(chǔ)組成的酸性成分和熔制溫度，在還原氣氛下熔制，均有利于平衡移向Ce3+。
雖然鈰是重要的混合著色劑，但是單一的氧化鈰著色很弱，只相當CoO的1/50。在鈉鈣玻璃[5]中，還原條件下引入3% CeO2還是無色的。但在鉛玻璃中只要1% CeO2即可達到上述同樣顏色飽和度。同樣在玻璃中引入5% TiO2時也是無色的，但兩者同時引入時使玻璃著成黃色，俗稱鈰鈦黃。當CeO2固定時(4%)，隨著TiO2含量的增加，光譜吸收截止波長向長波移動。玻璃顏色則向檸檬黃→琥珀色→橙色→暗紅色變化。感光性玻璃[6]中含有Ag+、鹵素離子和CeO2，經(jīng)反復進行紫外光照射和加熱后，可形成顏色深淺不同的透明影像，并可形成紅、黃、綠、藍、紫等全色譜色調(diào)。
Sevryuk[7]等研究了在聚硅氧烷溶液中進行淬火過程中，冷熱交替的情況下， 以CeO2和TiO2作為著色劑，橘黃色和綠色抗熱玻璃的光譜特性，結(jié)果指出隨著淬火溫度的升高，著色強度增強。如與不同的其他色素配合，可得到綠、琥珀、灰等顏色。Zhao ChunPeng[8]等研究了CeO2和Fe2O3的添加量對氧化鋁復合玻璃的顏色的影響，研究表明，兩種著色劑的添加量差別僅為0.1g時，制備出的玻璃的顏色范圍在VITAPAN三維主色板就可以覆81種不同的色彩。伊元夫[9]等人研究了滲透用玻璃料中氧化鈰的添加量對牙科CAD／CAM氧化鋁玻璃復合體顏色的影響。
2.2 氧化鈰對玻璃的脫色作用
一般的鈉玻璃、火石玻璃等都帶有一定的顏色，降低光的透射率，消除玻璃中這種殘余顏色的過程稱為“脫色”。玻璃的脫色分化學脫色和物理脫色兩種，化學脫色是在配合料中加入氧化劑，如氧化鈰，氧化砷，氧化銻等化學物質(zhì)，使著色較強的Fe2+轉(zhuǎn)變?yōu)橹醯腇e3+。化學脫色只是在一定程度上減弱鐵的著色，不能完全消除玻璃的顏色。因此在化學脫色同時還需要進行物理脫色。物理脫色是通過顏色互補來消除雜質(zhì)對玻璃的著色[10]。三原色（紅、綠、藍）中任一種原色與其余二種混合色光都為互補色。根據(jù)這種互補關(guān)系，即可選擇脫色劑。常用的玻璃脫色劑見表1。
表1 常用的玻璃脫色劑
Table 1 Bleaching agent commonly used in glass
序號 脫色劑名稱
1 氧化鈰的富集物（70%-90% CeO2）
2 氧化鈰的富集物（70%-90% CeO2）+氧化釹
3 氧化鈰的富集物（70%-90% CeO2）+氧化鈷
4 氧化鈰的富集物（70%-90% CeO2）+Tebbmanga
5 氧化鈰的富集物（70%-90% CeO2）+金屬硒
6 硒+CaO+As2O3
早期的脫色劑是氧化銻和氧化砷，雖然也能起到脫色的作用，但因析出了強烈毒氣而成為有害操作，同時會引起一些負效果，比如玻璃中產(chǎn)生氣泡、過早變色、短時間內(nèi)失去透（未完，下一頁）
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