堿土離子替換致玻璃性能演化的結(jié)構(gòu)起源.pdf

1、硅酸鹽玻璃是重要的基礎(chǔ)材料之一。該玻璃系統(tǒng)成分復(fù)雜，各組分對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)及性能的調(diào)控規(guī)律一直是硅酸鹽玻璃組分設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)，如：鎂在玻璃中四、六配位的轉(zhuǎn)化問(wèn)題目前仍未得到明確的解答。通過(guò)組分設(shè)計(jì)和堿土離子替換，制備了SiO2-Al2O3-Bi2O3-Fe2O3-Na2O-K2O-MeO(Me=Mg, Ca, Sr和Ba)系列硅酸鹽玻璃樣品，對(duì)玻璃的彈性模量、顯微硬度、玻璃轉(zhuǎn)變溫度和粘度等性能進(jìn)行了評(píng)測(cè)；利用核磁共振圖譜、拉曼光譜、紅外吸收光

2、譜以及正電子湮滅壽命圖譜對(duì)玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的表征；在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)探索了堿土金屬離子替換時(shí)玻璃結(jié)構(gòu)及性能的演化規(guī)律，并對(duì)玻璃性質(zhì)演化的結(jié)構(gòu)起源進(jìn)行了分析。研究結(jié)果如下：
　　（1）玻璃中堿土金屬元素由鈣替換為鍶或鋇時(shí)，玻璃樣品的彈性模量、顯微硬度和玻璃轉(zhuǎn)變溫度隨著堿土金屬離子半徑的增大而逐漸降低，而鎂、鈣替換時(shí)玻璃樣品性質(zhì)演化沒(méi)有遵循這一單調(diào)規(guī)律。拉曼光譜和紅外吸收光譜結(jié)果表明，鎂離子在玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的作用與另三種堿土金屬離

3、子不同，鈣、鍶和鋇為網(wǎng)絡(luò)修飾體，而鎂為網(wǎng)絡(luò)中間體。這種變化導(dǎo)致了鎂、鈣替換時(shí)玻璃性質(zhì)演化規(guī)律出現(xiàn)反常。同時(shí)利用正電子湮滅壽命圖譜計(jì)算了四種玻璃樣品的自由體積分?jǐn)?shù)，發(fā)現(xiàn)含鎂玻璃樣品自由體積分?jǐn)?shù)比含鈣玻璃樣品大，進(jìn)一步驗(yàn)證了含鎂玻璃網(wǎng)絡(luò)聚合度比含鈣玻璃樣品要好，網(wǎng)絡(luò)連接更完整。
　　（2）玻璃熔體的粘度隨著溫度的升高而逐漸降低，在低溫區(qū)（700~800K），含鎂玻璃粘度比含鈣玻璃低；而在高溫區(qū)（1450~1650K），含鎂玻璃粘度比含

4、鈣玻璃大。分別使用VFT方程、AG方程、AM公式和MYEGA方程擬合了玻璃熔體的粘度-溫度關(guān)系，由方程參數(shù)計(jì)算了玻璃熔體的構(gòu)型熵和強(qiáng)弱性。由含鋇玻璃到含鈣玻璃樣品，由于堿土金屬離子的場(chǎng)強(qiáng)增大，系統(tǒng)平均鍵能增大，同時(shí)玻璃內(nèi)自由體積逐漸降低，提供給原子自由移動(dòng)的體積減小，玻璃近程結(jié)構(gòu)有序性增加，強(qiáng)弱性和構(gòu)型熵均降低。含鎂玻璃樣品由于鎂離子參與網(wǎng)絡(luò)連接，而Mg-O鍵強(qiáng)要小于Si-O鍵，溫度變化時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的Mg-O更易斷裂而發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，因此強(qiáng)