Sol-Gel法制备Bi2O3-SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3超细玻璃粉体及表征

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选择正硅酸乙酯(TEOS)、硼酸(H3BO3)及分别含有Bi、Zn、Al元素的可溶性无机盐作为前驱物,采用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)及其后续热处理与机械球磨加工,制备了Bi2O3-SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3无铅氧化物电子玻璃粉体。借助XRD、TEM、EDAX、DSC-TG、FT-IR、Raman、XPS、粒度分布仪等分析手段,研究了Sol-Gel合成工艺及凝胶后处理工艺对玻璃粉体特征的影响规律,表征了玻璃粉体的化学组成、形貌、尺寸、结晶状态、玻璃结构、晶化特性及玻璃转变温度,对比研究了该Sol-Gel玻璃粉体与同体系高温熔融-淬火玻璃粉体特征的异同,基于实验研究结果及理论分析,探讨了该系玻璃粉体的Sol-Gel法合成机理。主要内容和结果如下:  1.研究了Sol-Gel法合成工艺对凝胶的影响。主要探明了前驱物种类、玻璃体系中相应氧化物配比、前驱物添加顺序、反应体系pH值、水硅摩尔比、合成反应温度、络合剂含量对凝胶特征的影响规律。以TEOS,H3BO3,Bi(NO3)3,Zn(NO3)2,Al(NO3)3作为前驱物,按照一定的氧化物配比及前驱物添加顺序,pH值控制在1-0.5范围内,制得了含有Bi、Si、B、Zn、Al元素的稳定透明凝胶;在水硅摩尔比为2-14范围内,凝胶化时间随该摩尔比的增加先缩短后增加;在水浴温度为30-70℃范围内,凝胶化时间随水浴温度的增加而缩短;随着络合剂柠檬酸添加量的增加,Bi+3在凝胶后续干燥过程中的稳定性增强。  2.研究了凝胶后处理工艺对Sol-Gel玻璃粉体的影响。主要探明了干燥温度、热处理温度及球磨时间对该玻璃粉体成分、形貌、尺寸、晶化特性、玻璃结构的影响规律。凝胶在30~60℃范围内初步干燥后,再经200℃干燥,去除凝胶中的水及有机溶剂后,透明凝胶破裂成为松散的玻璃态原粉;原粉经400℃热处理进一步除去残余杂质后,制得含有Bi、Si、B、Zn、Al元素的氧化物玻璃粉体;随着初始干燥温度的升高,凝胶破裂及松散程度增加;在200-800℃范围,随着热处理温度升高,进入玻璃结构中,并成为网络形成体的Bi,B原子增多,但玻璃粉体未见发生析晶转变;随着球磨时间的增加,粉体不断细化,颗粒形貌由不规则形状变为类球形,当球磨时间达到或超过20h后,颗粒尺寸几乎不变。  3.提出了Sol-Gel及后处理工艺制备Bi2O3-SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3玻璃粉体的最佳工艺参数。凝胶制备优化工艺为:反应体系pH值为1,水硅摩尔比为10,水浴温度为60℃,络合剂与Bi(NO3)3的摩尔比为1。后处理工艺为:凝胶经40℃初步干燥后再经200℃进一步干燥获得玻璃态原粉,原粉在400℃温度下保温30min热处理后制得无杂质的Bi2O3-SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3玻璃粉体,该玻璃粉体球磨20h后,获得亚微米级超细Bi2O3-SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3玻璃粉体。  4.系统地对Sol-Gel法制备的Bi2O3-SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3玻璃粉体的成分、形貌、尺寸、结晶状态、玻璃转变温度、玻璃结构等特征进行了表征。实验玻璃粉体由Bi、Si、B、Zn、Al、O元素构成,不含其它杂质元素,构成该玻璃体系的组分比例与实验设计的配比相近;粉体颗粒形貌为类球形,其粒径主要分布在0.1-1μm范围内;呈现出典型的玻璃态特征;其玻璃化转变温约为430℃;玻璃网络结构主要由[SiO4]四面体、[BiO6]八面体、[BO3]三角体、[BO4]四面体等多面体以共用顶角氧原子的形式构建。  5.对比研究了Sol-Gel法制备的Bi2O3-SiO2-B2O3-ZnO-Al2O3玻璃粉体与同体系熔融-淬火玻璃粉体的异同。主要探明了两种粉体成分、形貌、尺寸、结晶状态、晶化特性、玻璃结构、玻璃转变温度等玻璃特征的异同。两者均为Bi、Si、B、Zn、Al、O元素构成的典型玻璃态粉体,它们的玻璃网络结构相似;两者的微观形貌、晶化特性、玻璃转变温度呈现差异,熔融-淬火玻璃粉体颗粒中易出现5-10nm左右的玻璃分相并发生析晶转变;而Sol-Gel玻璃粉体颗粒由大量尺寸为10-20nm左右的球形纳米粒子聚合而成,在实验温度范围内未见析晶转变发生;Sol-Gel玻璃粉体的玻璃转变温度略低于熔融-淬火玻璃粉体的玻璃转变温度。  6.探讨了Sol-Gel法合成该体系玻璃粉体的机理。实验条件下,TEOS发生水解缩合反应生成Si-O-Si网络结构,并包裹住其它成分形成胶体粒子,胶体粒子不断增多与长大,实现凝胶化。干燥及热处理过程中,凝胶中的非玻璃体系的杂质成分逐渐被去除,同时,部分Bi原子与B原予进入Si-O-Si网络结构中共同构建玻璃网络主体,Al原子与Zn原子分布于主体网络间隙中。
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