复合持续时间对P_2O_5...合玻璃结构和力学性能的影响_朱钦塨.pdf

第 38 卷 第 2 期 无 机 材 料 学 报 Vol.38 No.2 2023 年 2 月 Journal of Inorganic Materials Feb.,2023 收稿日期:2022-05-20;收到修改稿日期:2022-07-07;网络出版日期:2022-08-04 基金项目:国家自然科学基金重点项目(52072335)National Natural Science Foundation of China(52072335)作者简介:朱钦塨(1993),男,博士研究生.E-mail: ZHU Qingong(1993),male,PhD candidate.E-mail: 通信作者:赵高凌,教授.E-mail: ZHAO Gaoling,professor.E-mail: 文章编号:1000-324X(2023)02-0170-07 DOI:10.15541/jim20220286 复合持续时间对 P2O5-Al2O3异相复合玻璃结构和 力学性能的影响 朱钦塨,赵高凌,韩高荣(浙江大学 材料与工程学院,硅材料国家重点实验室,杭州 310027)摘 要:近年来,分相玻璃以其独特的结构以及优异的物理化学性质引起了广泛关注。本研究结合气动雾化加料和机械搅拌,采用熔融冷却法制备了纳米 SiO2-Na2O 高硅玻璃颗粒增强的 P2O5-Al2O3玻璃。通过改变复合持续时间,研究了玻璃的结构与力学性能之间的关系。结果表明,异相复合玻璃的杨氏模量高于 P2O5-Al2O3玻璃,并且随着复合持续时间由 10 s 增大到 8 min,玻璃的杨氏模量呈现先升高后降低的趋势,在复合持续时间为 6 min 时,杨氏模量达到最大值 80.7 GPa。相比于 P2O5-Al2O3玻璃,杨氏模量提高了 18%。引入 SiO2-Na2O 高硅玻璃颗粒不仅能够在基体玻璃中形成第二相,而且会改变 P2O5-Al2O3玻璃的结构。随着复合持续时间由 10 s 增大到 6 min,异相复合玻璃网络中磷的配位数逐渐增大,并且玻璃网络中的非桥氧数量逐渐减少,网络交联度逐渐增加。而复合持续时间超过 8 min,则不利于网络交联度的增加。异相复合玻璃的开发为耐损伤玻璃材料的制备提供了新的思路。关 键 词:异相复合玻璃;P2O5-Al2O3玻璃;杨氏模量;复合持续时间 中图分类号:TQ171 文献标志码:A Effect of Recombination Time on the Structure and Properties of P2O5-Al2O3 Heterogeneous Composite Glass ZHU Qingong,ZHAO Gaoling,HAN Gaorong(State Key Laboratory of Silicon Materials,School of Materials Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)Abstract:In recent years,phase separation glass has attracted extensive attention because of its unique structure and excellent properties.But its mechanism of phase separation on glass remains insufficient clear,especially,the influence of recombination time on structure and properties is unclear.Here,strengthened P2O5-Al2O3 glass with SiO2-Na2O high-silicate glass particles as the second phase was prepared by melting-quenching method combined with pneumatic atomization and mechanical stirring.The relationship between structure and mechanical properties of the glass was investigated by varying the recombination time.Experiment results showed that Youngs modulus of the heterogeneous composite glass was higher than that of the P2O5-Al2O3 glass.Youngs modulus of the sample firstly increased and then decreased with the recombination time increasing from 10 s to 8 min.The highest Youngs modulus of 80.7 GPa was obtained at recombination time of 6 min,which was increased by 18%as compared with the P2O5-Al2O3 glass.Introducing SiO2-Na2O high-silicate glass particles not only formed the second phase in the matrix glass,but also 第 2 期 朱钦塨,等:复合持续时间对 P2O5-Al2O3异相复合玻璃结构和力学性能的影响 171 changed the structure of the P2O5-Al2O3 glass.As the recombination time increases from 10 s to 6 min,coordination number of phosphorus in heterogeneous composite glass network gradually increases,while amount of non-bridging oxygen in the glass network gradually decreases,resulting in a gradual increase in network cross-linking.However,when the recombination time is more than 8 min,it is not conducive to network crosslinking.Therefore,development of het-erogeneous composite glass can provide a new route for the preparation of glass materials with good damage resistance.Key words:heterogeneous composite glass;P2O5-Al2O3 glass;Youngs modulus;recombination time 分相是玻璃形成过程中常见的一种现象1,其化学成分和空间分布存在显著差异,尺寸从几埃到几微米不等,它们往往会对玻璃性能产生重要影响2-4。近年来,分相玻璃以其独特的结构以及优异的物理化学性质引起了研究者们的广泛关注。Gueguen等5以 BaO-SiO2系玻璃为研究对象,发现低钡含量时,富含SiO2的玻璃基质中形成直径在100200 nm富含钡的第二相,并且玻璃的粘度显著增加。Seal等6通过研究相分离的钠硼硅玻璃,发现相分离玻璃的结构与其二氧化硅含量密切相关,二氧化硅含量增大会促进相分离,进而提高玻璃的冲击韧性。分相玻璃的制备方法主要有热处理法、电场诱导以及高压重熔等7-9。除此之外,还有针对不同体系玻璃性能的研究。到目前为止,关于相分离对玻璃影响机制的研究大多集中在 SiO2-B2O3和 SiO2-BaO 玻璃体系,并且在相分离的玻璃中,第二相的空间分布和大小是不可控的。为了解决上述问题,开发一种新型两相分离玻璃的制备工艺非常有必要。本工作以具有优良的化学稳定性、低的光学分散性和良好的紫外光透过率的 P2O5-Al2O3玻璃为基体材料10-11,以应用和研究最为广泛的 SiO2-Na2O高硅玻璃作为增强相,结合气动雾化加料和机械搅拌,通过熔融冷却法制备一种以纳米玻璃颗粒为第二相的新型透明且均匀的异相复合玻璃。通过改变气动雾化加料时间,即复合持续时间,制备一系列异相复合玻璃,研究异相复合玻璃的形成机制。在此基础上,探究复合持续时间与异相复合玻璃的结构和机械性能的关系。1 实验方法 1.1 SiO2-Na2O 高硅玻璃颗粒的制备 以化学纯的二氧化硅(SiO2)、碳酸钠(Na2CO3)(国药集团试剂)为原料,采用熔融冷却技术制备质量分数组成为 95SiO2-5Na2O 的玻璃,5%的 Na2O 作为助溶剂促进玻璃的形成。首先将原料放入玛瑙研钵中充分研磨混合,在 1600 下高温熔融 2 h,将玻璃液倒入 450 预热台上的模具中成型,随后置于900 马弗炉中退火 2 h,样品随炉冷却得到SiO2-Na2O 高硅玻璃。最后,通过机械粉碎、球磨以及过筛后得到直径约 2 m 的玻璃颗粒。1.2 异相复合玻璃的制备 P2O5-Al2O3基体玻璃的组成为 70P2O5-20Al2O3-6MgO-4Li2O(质量分数)。采用的原料包括氧化铝(Al2O3)、磷酸二氢铵(NH4H2PO4)、碳酸锂(Li2CO3)以及碳酸镁(MgCO3),均为化学纯,国药集团试剂。按照上述基体玻璃的组成配制 200 g 的原料,放入玛瑙研钵中,充分研磨混合,再置于氧化铝坩埚中,放入 900 带有机械混合系统的电炉(14Q-YC)中,并逐渐加热到 1400,保温 2 h。然后,将温度降低至 1300 并开启机械搅拌系统。SiO2-Na2O 高硅玻璃颗粒经气动雾化后,通过耐高温喷嘴向基体玻璃液中加入 2 g 直径为 2 m 的 SiO2-Na2O 高硅玻璃颗粒,复合持续时间分别为 10 s,2,4,6,8 和 10 min,之后将混合玻璃液倒入 450 预热台上的模具中成型,放入 540560 的马弗炉中退火处理 2 h,去除由石英颗粒引起的界面、裂纹和其他缺陷,然后随炉冷却获得样品。复合持续时间 10 s 是气动喷雾设备最快的加料速度,将所有 SiO2-Na2O 高硅玻璃颗粒喷射到基体玻璃熔体中,时间为 10 s 左右,随后直接成型。用于测试的样品包括粉末和块状样品,其中粉末样品是在玛瑙研钵中捣碎玻璃样品并研磨得到的,块状玻璃样品是将制备的玻璃样品切割成 2 cm 2 cm 1 cm 的块状,表面经过粗抛光、精抛光、纳米二氧化铈抛光得到的。1.3 异相复合玻璃结构的表征 采用 X 射线衍射仪(XRD,Bruker AXS GMBH,德国)表征样品中的晶态和非晶态物质。纳米红外光谱仪(nanoIR2-fs,美国)记录 1280 cm1处的扫描红外光谱(IR),原子力显微镜(AFM)表征基体玻璃和SiO2-Na2O 高硅玻璃,利用 Analysis studio(v3.15)结合分析上述两种图像。采用角分辨 X 射线光电子能谱仪(XPS,AXIS SUPRA,英国)分析 P 的配位。通172 无 机 材 料 学 报 第 38 卷 过激光共聚焦拉曼光谱仪(LabRAM HR Evolution,法国)测试拉曼(Raman)光谱。采用纳米压痕仪(Nano Indenter G200,美国)测试玻璃的杨氏模量。2 结