含铌玻璃物理和化学性能综合研究

作     者：芦建超 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑秋菊

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：含铌玻璃 微晶玻璃 介电性能 化学稳定性 

摘      要：氧化铌（NbO）经常添加在玻璃中,用于增加氧化物玻璃的折射率,并促进其非线性光学（NLO）响应的急剧增加,这对于优化某些电子显示器等光学元件的视觉性能至关重要。氧化铌也被用于提高掺杂稀土元素的光学玻璃的玻璃化能力。这些玻璃具有良好的透光率和优异的上转换发光效率,在上转换领域具有广阔的应用前景。现阶段对含铌玻璃化学稳定性方面的研究较少,铌的引入量对玻璃化学稳定性的影响尚不明确,因此研究含铌玻璃的化学稳定性是很有必要的。本文主要研究了含铌玻璃的物理性能和化学性能。 （1）采用熔融冷却法制备了三个体系的玻璃,对玻璃进行了XRD测试,证明了样品的非晶态性质。利用MYEGA方程拟合了Nb Li系列玻璃的粘度曲线,当Nb Li系列玻璃中的铌锂离子逐渐替换二氧化硅时,铌锂系列玻璃形成液体的强弱性先减小后逐渐增大。因为随着铌锂离子含量增加,玻璃存在一些Nb聚集,Nb在这些较高的浓度下有形成Nb-O-Nb键的倾向,使玻璃聚合度下降。 （2）结合玻璃形成液体粘度的差热计算方法和差示扫描量热法测定液相线的方法,运用Jezica参数和用Hruby参数计算了Nb Li系列玻璃形成能力。Hruby参数与Jezica参数算出的Nb Li系列玻璃的玻璃形成能力都表明Li2样品的玻璃形成能力最好。还计算了Nb10、La10的Hruby参数,发现在玻璃中引入10mol%的Nb比引入La更能提高玻璃的玻璃形成能力。 （3）在玻璃中引入Nb,使玻璃的耐水性有所增强,因为NbO作为玻璃网络形成体,随着引入的NbO含量的增加,Nb以[Nb O]八面体参与玻璃网络结构,与氧原子形成桥氧的连接形式,从而提高玻璃的聚合度,使玻璃网络结构更加稳定,玻璃的耐水性随Nb的引入不断提高,玻璃水腐蚀前后力学性能的变化趋势与ICP测试结果相符合。玻璃的耐酸性随Nb的引入不断增强,醋酸腐蚀前后力学性能的变化随Nb的引入不断减小。在玻璃中引入La,使玻璃的耐水性都有所增强,LaO在玻璃网络中的作用主要有增加网络连接度,从而在玻璃被腐蚀时降低了R与H（或HO）之间的交换,当LaO的引入量为10%时,玻璃的耐水性最好。玻璃水腐蚀前后力学性能的变化趋势与ICP测试结果相符合。玻璃的耐酸性随La的引入先增大后减小。加入适量的LaO时,La填充于玻璃网络结构中,增强了玻璃结构的致密性,提高了玻璃的耐酸性;另一方面,当LaO的含量增加到一定程度时,由于La不参与网络结构的形成,且半径较大,极化能力较弱,导致玻璃网络结构的变形。 （4）选取玻璃形成能力最好的Li2进行热处理。运用普通球磨机混料所制备的玻璃,先在575℃热处理3h、然后在640℃热处理17min时,保证样品内产生晶体的同时还使样品能够保持很高的透明度。随着在640℃热处理时间的增加,样品逐渐失透,在扫描电子显微镜下可以观察到晶体逐渐变多、变大。运用高速球磨机混料制备的玻璃出现表面结晶的阈值为在575℃热处理3h、在640℃热处理45min,玻璃出现体析晶的阈值为在575℃热处理3h、在640℃热处理70min。在含Li Nb O微晶玻璃中,在1000k Hz和30°C条件下,分别获得了中等的介电常数（20-27）和极低的介电损耗（0.007–0.14）。在样品上下表面抛掉0.1mm后,表面析晶的去除增加了样品中锂离子的占比,导致ε`的值在较高的频率内减小的更快,以及介电损耗图谱中弛豫峰的变化。