力学性能导向的磷酸盐玻璃组成优化探索

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磷酸盐玻璃具有许多优势特点,例如较低的熔制温度、透紫外光线、色散力低等,其在激光材料、缓释材料、核废物材料的固化和其他方面具有潜在的应用价值。但磷酸盐玻璃自身缺点在于其热性能和力学性能较差,这是由于其结构单元[PO4]四面体中含有的P=O双键导致磷酸盐玻璃呈层状或链状结构,这种特殊的结构限制了它的应用。故此本文以磷酸盐玻璃材料为研究对象,采用传统高温熔融方法制备了六组体系的磷酸盐玻璃材料,研究了玻璃在制备过程中存在的析晶、开裂和气泡等问题,并针对这三种问题提出了解决方法,随后利用X-ray衍射分析(XRD)、拉曼光谱分析(Raman)、差示扫描量热分析(DSC)、电子拉伸试验机和数字显微硬度仪等手段测试其玻璃的结构、物理性能以及力学性能,并系统研究了六组磷酸盐玻璃的组成-结构-性能三者之间的相关性,探索了磷含量以及氧化硼含量对磷酸盐玻璃结构和性能的影响,综合比较了六组硼磷酸盐玻璃材料理化性能的差异,获得了综合理化性能较好的新型磷酸盐玻璃材料。主要研究结果如下:1.针对玻璃的析晶问题,增加组分均匀性和选取合适的成型温度范围的方法使得实验效果显著;针对玻璃的开裂问题,通过改变玻璃的退火速率以及退火温度来解决;针对玻璃存在的气泡问题,在玻璃制备过程中通过适当提高玻璃的熔融温度和搅拌来减少气泡的产生,最终得到完整且透明的块状玻璃样品。2.X-ray衍射结果显示了玻璃的非晶态结构,说明氧化硼的加入并没有改变玻璃的无序性;Raman结果表明磷含量的增加使得玻璃结构由偏磷酸盐结构向焦磷酸盐结构转变,氧化硼的引入使的玻璃从层状结构转变为三维立体结构,增加玻璃的致密性;差示扫描量热法(DSC)表明磷和氧化硼的增加提高了玻璃转变温度Tg。3.物理性能分析表明,磷含量的增加减小了磷酸盐玻璃的密度,导致玻璃结构松散,适量氧化硼的引入可提高玻璃的密度,而其摩尔体积与密度正好相反,使得玻璃结构致密;力学性能分析得出,磷含量的增加减小了磷酸盐玻璃的抗折强度以及显微硬度,适量氧化硼的引入使得磷酸盐玻璃的抗折强度、断裂韧性以及显微硬度都有所增加,整体上氧化硼的引入提高了玻璃的热-力学性能。
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