高折射率稀土玻璃的开发和应用

发布网友发布时间：2022-04-30 08:09

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热心网友时间：2022-06-19 13:44

林凤英

作者简介：林凤英，中宝协人工宝石专业委员会第二、三届委员，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。

一、发展概况

我国稀土资源丰富，储量占世界总储存量的80%左右。稀土材料的研究和开发具有广阔的前景。1985年中国科学院上海光学精密机械研究所（简称上海光机所）为了满足光学仪器以及其他科研产品制备的需求，研制出了高光学质量、高折射率的稀土玻璃。

1986年，上海光机所立方氧化锆晶体生产因为耗电量大、颜色少、质量不稳定等一系列原因而停产。为了替代立方氧化锆宝石材料，在高折射率稀土玻璃中添加了着色剂，研制出高折射率稀土有色玻璃，我们称之为“稀土宝石玻璃”，1988年开始投放市场。由于其色彩丰富、折射率高、硬度较普通玻璃高、价格便宜，作为装饰用人工宝石大受欢迎。

根据市场的要求，20世纪90年代我们又研制出化学稳定性高的稀土玻璃系列，此系列稀土玻璃能有效地抵御电镀过程中的酸、碱的腐蚀而不影响玻璃的质量。同时，从环境保护的角度出发，我们又不断调整优化玻璃的配方；原来成分中有≤10%PbO，因为铅会对人类健康和环境构成威胁，去掉了氧化铅，从而研制出环保型的高折射率稀土玻璃。

现在，我们生产的稀土玻璃已有 60多个品种，月产量达3t以上，同时也能根据用户要求生产。在高折射率稀土玻璃市场化推广进程中，陈汴琨、沈才卿、钮天然、朱立夫、张道标、陈彩珍、周峰等珠宝界专家给予了大力帮助与支持。近20年来，我们与光华公司、奥立安公司、中科院东方公司、金得利公司、宗宗公司等全国多家珠宝公司建立了良好合作伙伴关系，产品远销海内外，为扩大稀土材料的应用，出口创汇等开辟了广阔的前景。

二、高折射率稀土玻璃的特点

1.折射率高（N=1.71～1.95）

高折射率稀土玻璃是以稀土光学玻璃为基础研制的。稀土光学玻璃如镧火石玻璃（LaF）和重镧火石玻璃（ZLaF）均具有高的折射率（可大于1.8），并具有较高的硬度和色散。合成稀土玻璃以La₂O₃-B₂O₃-BaO-TiO₂-SiO₂为主要成分，并加入少量ZrO₂,ZnO,Nb₂O₅,Ta₂O₅等其他金属氧化物和稀有金属氧化物。稀土玻璃的折射率取决于玻璃的主要成分，它具有很大范围的可调整性。图1和图2分别是玻璃组成中各氧化物的部分折射率及色散与阳离子半径之间的关系。可以看出La₂O₃,TiO₂,ZrO₂,Nb₂O₅,Ta₂O₅等氧化物的加入都能有效地提高玻璃的折射率及色散。目前生产的稀土玻璃折射率为1.71～1.95。

2.颜色丰富、质量稳定

高折射率稀土玻璃用过渡族金属钛、钒、铬、锰、铁、钴、铜的氧化物和稀土元素钕、镨、铒、铈的氧化物单独或组合使用作为着色剂。

由于稀土元素的原子中4f电子的跃迁引起对光辐射的选择性吸收，其光谱特征是多吸收带边缘陡度极高。因此在不同的光源照射下能显示出不同的颜色，如氧化钕（Nd₂O₃）着色的玻璃在日光照射下是红紫色，在日光灯下为蓝紫色，具有柔和优美的双色。又因为价电子处于内层，为外层电子壳所屏蔽，故着色稳定。通过多种着色剂的组合使用和用量调整以及基质玻璃的组分改变，可以使玻璃的颜色千变万化，其色泽也可以与天然宝石相近。我们目前已有 60多种产品，如石榴红（R2,R4）、祖母绿（G104,G4）、橄榄绿（G107,G108）、宝石蓝（B2,B10）、海蓝（B103,B10312）、粉红（P3,P5,P6）、紫晶（V102,V106）、金黄（Y3）、香槟黄（Y1,Y2）、坦桑石（B301）、黑色（BK2）……可以用作许多种宝石的代用品或仿制品。

高折射率稀土玻璃采用光学玻璃生产方法，将优质化工原料在电炉中用铂金坩埚高温熔制。熔制过程中进行搅拌、浇注后退火。所以玻璃中条纹气泡少，质量稳定。

3.绿色环保

经过多次配方的调整，我们现有的高折射率稀土玻璃既不含放射性元素，也不含有毒的重金属元素铅，属于绿色环保产品。生产、加工高折射率稀土玻璃和长时间佩戴镶嵌有这类仿宝石的首饰，不会对人的身体造成伤害。

4.化学稳定性好及其他

高折射率稀土玻璃的抗氧化、耐腐蚀性能极好，也不容易被一般物体所磨损。但因为是玻璃，脆性大，易碎，非稀有材质，通常作为仿真首饰投放于市场。

图1 部分氧化物折射率与阳离子半径的关系

图2 部分氧化物色散与阳离子半径的关系

三、高折射率稀土宝石玻璃的性质

1993年1月5～9日，在广州召开了“首届华夏宝玉石行业发展研讨会”，在会上，我们首次公布了高折射率玻璃（又名稀土首饰钻材料）的性质（表1）。目前市场上出现的所谓半稀土玻璃和加稀土元素改造的高折射率玻璃基质人造宝石等，实际上是铅晶质玻璃，折射率通常小于1.70。为了便于比较，表中也列出了这些玻璃的相关性质。

从这些数据的比较中，可以看到，高折射率稀土玻璃各方面的性质，要明显好于铅晶质玻璃。

表1 高折射率稀土玻璃和铅晶质玻璃性质比较

四、高折射率稀土玻璃的应用

高折射率稀土玻璃作为仿天然宝石和仿晶体人造宝石材料，因具色彩艳丽、价格低廉、容易加工、绿色环保等特点，受到人们的欢迎。目前广泛应用于仿真首饰、时尚首饰和服饰。随着国民经济和人民生活水平的不断提高，个人消费品市场的日益繁荣，以及对健康环保要求的增加，高折射率稀土玻璃也必将有着更好的发展机遇以及更为广阔的市场前景。

参考文献

干福熹等著.1981.无机玻璃物理性质计算和成分设计.上海：上海科学技术出版社.

干福熹等著.1982.光学玻璃.北京：科学出版社.