氧化物添加Na2O-CuO-P2O5封接玻璃制备与性能研究

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为了应对封接无铅化的趋势,无铅型低熔点封接玻璃的研发成为热点。磷酸盐玻璃具有特征温度低,价格低廉,环境友好的特点,是替代含铅封接玻璃的理想材料。但是其较高的热膨胀系数与较差的化学稳定性限制了磷酸盐封接玻璃的应用。所以提高磷酸盐玻璃的化学稳定性,调节热膨胀系数是磷酸盐封接玻璃研究的重点。Na2O-CuO-P2O5体系封接玻璃具有特征温度低,热膨胀系数范围宽的特点,但是在低特征温度的情况下热膨胀系数过高,难以达到使用要求。所以为了获得热膨胀系数较小,特征温度又相对较低的基础玻璃,本文采用正交试验法对Na2O-CuO-P2O5玻璃进行研究,得到了基础组分与性能的变化规律,并经过正交试验后的优化实验,得到了基础玻璃。为了降低玻璃的热膨胀系数与提高化学稳定性,首先在玻璃中添加了固定含量的Bi2O3,并且以B2O3取代玻璃中的P2O5。随后又在添加B2O3与Bi2O3的基础上分别添加了Y2O3与Fe2O3。采用红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、高温卧式膨胀仪、差式扫描热量仪(DSC)、以及化学稳定性测试等方法对玻璃结构以及性能进行了研究。结果表明:(1)在玻璃组分含量范围为50~70mol.%P2O5;15~25mol.%Na2O;5~20mol.%CuO时,基础组分对于热膨胀系数的影响先后顺序为CuO>Na2O>P2O5;玻璃的热膨胀系数随P2O5含量增加而减小、随Na2O含量增加而加大、随CuO的含量增加而减小。经过正交试验的优化实验,确定当玻璃配比为15mol.%Na2O;15mol.%CuO;70mol.%P2O5时可以同时达到较低的热膨胀系数与特征温度。(2)在玻璃中添加了固定含量为5mol.%的Bi2O3,并且以B2O3取代P2O5,取代量从2.5mol.%到10mol.%。在添加了Bi2O3与B2O3后,玻璃的红外光谱中O-P-O的不对称伸缩振动产生了位移,其振幅随着B2O3的含量增加而减弱。随着B2O3对P2O5的取代量增加,玻璃的密度增加,化学稳定性提高,热膨胀系数减小,特征温度升高。(3)随着Y2O3的添加量从0mol.%提高到2mol.%,玻璃中逐渐析出晶体。随着Y2O3含量的升高,样品的特征温度有先减小后增大的趋势,玻璃的热膨胀系数有先增大后减小的趋势。玻璃的密度先减小后增大,化学稳定性提高,但是特征温度也随之升高到较高水平。(4)随着Fe2O3的添加量从0mol.%提高到2mol.%。磷酸盐链终端基团(PO32-)的对称伸缩振动模式增强,同时(PO32-)的不对称伸缩振动模式出现,证明磷酸盐链的数量增多,Fe2O3对于玻璃网络具有断网的作用。随添加量的提高,玻璃热膨胀系数先增大再减小,特征温度先减小再增大,化学稳定性提高,但是特征温度也随着Fe2O3含量提高上升到较高水平。
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