图3为晶化样品热处理前后的实物照片, 图3(a)所示玻璃样品在可见光区域的直线透过率约为40%, 经1050℃ 2 h晶化处理后的样品透过率明显降低, 且透过率变化沿超重力场(Ultra-high Gravity)方向有所不同: Ⅰ-Ⅱ区域内直线透过率降低较少, 尚能实现透字效果, 直线透过率由40%左右降为10%左右; Ⅱ-Ⅲ区域内透过率大幅降低, 透过率低于5%。

图3

Fig. 3

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	图3 YAS玻璃退火处理前(a)后(b)实物照片Fig. 3 Pictures of the YAS glass sample before (a) and after (b) annealing

EDS分析发现: 沿超重力场方向Y₂O₃/Al₂O₃比值基本保持不变; SiO₂含量逐渐降低, 如图4所示。这主要是由于超重力熔铸过程是在较高的重力场下完成的, 在各相间的相互作用及较大的超重力场作用下样品成分产生梯度分布。

图4

Fig. 4

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	图4 热处理后YAS晶化样品沿超重力方向成分分布Fig. 4 Curves of the oxides distribution in the annealed sample along the ultra-high gravity direction

图5(a)为样品顶端Ⅰ点部位的微区XRD图谱, 无明显晶体衍射峰。但通过观察发现, 在Ⅰ点周围小范围内析出了少量呈放射状分布的柱状晶体, 如图5(b)所示。这很可能是因为晶相析出量较少, 无法通过XRD图谱检测出来。EDS显示该柱状晶体内无Y元素, 且 n(Al)/ n(Si)值约为3, 综合EDS结果及晶体形貌分析, 推测析出物为Al₆Si₂O₁₃ (莫来石)晶体, 如图5(c)所示。

图5

Fig. 5

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	图5 Ⅰ区域内物相组成分析(a), SEM形貌(b)以及EDS分析(c)Fig. 5 (a)XRD pattern, (b) SEM image and (c)EDS analysis of the pointⅠ

沿超重力场方向向下(除Ⅰ点外的Ⅰ-Ⅱ区), 该区域内XRD图谱无明显晶体衍射峰, 经SEM显微观察, Al₆Si₂O₁₃晶体消失, 同时无其它晶体析出。图6为Ⅱ-Ⅲ区域内物相组成及显微形貌分析。沿超重力场方向继续向下(Ⅱ-Ⅲ区), 观察发现, 该区域析出大量均匀分布的雪花状晶体簇, 结合XRD分析可知, 析出物为纳米级的χ-Al₂O₃(04-0880)晶粒。此处得到的χ-Al₂O₃为亚稳相, 其显微形貌如图6(b、c、d)所示。

图6

Fig. 6

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	图6 Ⅱ-Ⅲ区域内XRD图谱(a)及SEM照片(b)Fig. 6 XRD pattern (a) and SEM images (b) of Ⅱ-Ⅲ (c,d) zone and local magnification images of (b)

图7为不同退火温度下样品的析晶情况。当退火温度为1000℃时, 样品出现软化现象, 但无明显晶体析出; 经1050℃退火处理后, 样品透过率下降, 析出的晶相种类沿超重力方向梯度变化; 退火温度提高至1100℃时, 玻璃样品透过率进一步降低, 上下分层现象消失, XRD分析表明, 样品内主要析出相为Y₃Al₅O₁₂ (YAG)及Y₂Si₂O₇晶体, 同时还有微量χ-Al₂O₃存在; 退火温度升高至1200℃时, 样品完全失透, 主要析出晶体为YAG晶相, 同时有少量Y₂Si₂O₇。1200℃退火试样的XRD图谱中没有出现χ-Al₂O₃晶相, 这可能由于χ-Al₂O₃晶相析出量较少。图8所示为1200℃退火处理后玻璃样品经抛光后的的显微形貌, 从图中可看到玻璃基体中出现了大量的孔洞, 这是由于玻璃的析晶造成体积变化形成的^{[ 17, 18]}。

图7

Fig. 7

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	图7 不同温度热处理的超重力熔铸YAS玻璃的XRD图谱Fig. 7 XRD patterns of the YAS glass annealed at different temperatures

图8

Fig. 8

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	图8 1200℃退火后YAS样品的SEM照片Fig. 8 SEM image of the YAS glass annealed at 1200℃

图9为Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂三元相图, 玻璃样品在超重力场方向各点成分沿SiO₂-Y₃Al₅O₁₂成分线连续变化, 即Y₂O₃/Al₂O₃基本保持不变(约为0.6)、SiO₂含量逐渐降低。各成分虽然靠近SiO₂-Y₃Al₅O₁₂直线, 但处于该直线右侧, 即偏向富Al₂O₃一侧, 这可能与反应原料中添加10%左右过量Al粉有关^{[ 16]}。

图9

Fig. 9

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	图9 晶化后YAS样品沿超重力方向成分在Y2O3-Al2O3-SiO2相图中的变化Fig. 9 The compositions distribution along the ultra-high gravity direction of the annealed YAS in the Y2O3-Al2O3-SiO2 phase diagram

样品Ⅰ点处于Y₂O₃-Al₂O₃-SiO₂三元相图中的Y₂Si₂O₇-Al₆Si₂O₁₃-SiO₂区域内, 退火温度为1050℃时, 析出了莫来石晶体。Ⅰ-Ⅱ区域其余各成分点在1050℃无晶相析出。文献研究表明, 该组分区域内玻璃析晶温度在1100℃以上, 故退火温度为1050℃时无晶相析出^{[ 7, 8]}。当退火温度高于1100℃后, 该区域同样析出了YAG晶体。

样品Ⅱ-Ⅲ区域成分SiO₂含量较低, 处于三元相图的Y₂Si₂O₇-Y₃Al₅O₁₂-Al₂O₃区域, 该区域在晶化过程中, 随着退火温度的升高, 依次析出了χ-Al₂O₃晶体团簇、Y₂Si₂O₇及YAG。由以上结果可见, 析晶样品分为两个主要区域, 两区域的分界点Ⅱ点成分(26.73%Y₂O₃-26.86% Al₂O₃-46.41% SiO₂)也恰好位于三元相图Y₂Si₂O₇-Al₂O₃成分线上。综上所述, 当Y₂O₃/Al₂O₃比值基本保持不变时, YAS玻璃的析晶行为主要取决于SiO₂含量及退火温度。