在含Bi2O3玻璃中SiO2/B2O3替代物对结构、理化和电性能的影响外文翻译资料

 2022-01-16 06:01

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在含Bi2O3玻璃中SiO2/B2O3替代物对结构、理化和电性能的影响

摘要 研究了以B2O3为代价增加SiO2对xSiO2-（40-x）B2O3-60Bi2O3玻璃基体（x=0，10，20，30和40摩尔）内部结构的影响。玻璃结构表明，Bi3 阳离子在玻璃结构中以金字塔形[BiO3]和[BiO6]八面体单元形式存在，而硼以离子形式存在于BO3和BO4单元中。观察到玻璃网络中存在变形的[BiO6]八面体单元，并且发现通过SiO2逐步取代B2O3可以降低变形程度。结果表明，SiO2/B2O3替代物的增加，导致了玻璃的密度、显微硬度和化学耐久性增加，但引起了其摩尔体积减小。SiO2/B2O3替代物的增加通常会降低交流电导率。这一减少可能是由于玻璃网络中的[BiO6]八面体单元的变形减少，从而逐步用SiO2取代B2O3。样品的介电常数很复杂，这可能表明玻璃网络发生了变形（自由电荷数或断裂键数变化）。根据所得实验数据对玻璃网络的内部结构、样品从锥体到八面体的结构变化以及BO3和BO4单元中硼离子的存在形式进行了讨论。

关键词 Bi2O3玻璃·红外光谱·理化和交流电性能

1.引言

由于含Bi2O3的玻璃在玻璃陶瓷，光学和光电层设备、热传感器和机械传感器、反射窗等领域的广泛应用，使得其引起了人们的极大关注。因其具有优异的光学性能，这些玻璃是超快速光学的很有前途的候选者，适用于开关、红外传输组件和其他光子器件。氧化铋本身不能形成玻璃，就像其他传统的玻璃形成体；但是，它可以在其他典型玻璃形成体的帮助下形成玻璃。

此外，氧化铅被广泛用作低熔点玻璃，但由于它对健康和环境的负面影响，正从各种各样的应用中消失。在这种情况下，因为氧化铋的等电子性质，其是一种合适的氧化铅替代品。

非常规玻璃形成氧化物Bi2O3具有两种可能的配位，[Bi-O3]金字塔形和[Bi-O6]八面体单元的玻璃结构。该孤对Bi 6S2的可变形性使铋酸盐玻璃表现出很高的非线性光学（NLO）效应。Bi3 在氧化物玻璃中的大极化率和小场强使其适用于光学器件，如超快速全光开关，光隔离器，光克尔快门（OKS）和环境指南等。据报道，尽管Bi2O3本身不能形成玻璃，但在强烈的偏振阳离子影响下，Bi3 离子可以将它们的配位数从6减少到3，玻璃网络可能包括[Bi-O3]金字塔形和[Bi-O6]八面体两种单元。

铋酸盐玻璃作为低损耗光学纤维，红外透射材料或拉曼有源光纤放大器和振荡器的介质的潜在应用引起了许多人的兴趣。在所有光学开关和宽带放大装置中，基于氧化铋的玻璃通过高非线性光学敏感性进行表征。铋硼酸盐因其长红外截止和高三阶非线性光学易感性等特殊性能备受关注，使其成为开发红外传输元件，超快光学元件的理想选择，在开关和光子器件上也有应用。这些玻璃还具有广泛的应用，如作为光学和玻璃基板的玻璃陶瓷，电子设备，热和机械传感器反射窗等。近几十年来，他们的电气，光学和热学性能也被深入研究。

过去，我们付出了相当大的努力对无铅Bi2O3–B2O3–SiO2（BBS）玻璃这一被认为是线性和非线性光学应用的理想对象进行研究。

因此，本文的目的是研究SiO2/B2O3替代物对含Bi2O3玻璃材料结构、理化和电性能的影响。此外，电性能包括介电常数、导电率和频率阻抗也会在室温下100Hz至1MHz的范围内进行调查。

2实验细节

2.1玻璃样品的制备

制备的铋硼硅酸盐玻璃具有成分xSiO2-（40-x）B2O3-60Bi2O3（其中x=0，10、20、30和40摩尔百分比，采用常规的熔融淬火技术。分析级SiO2、H3BO3所需数量，通过研磨混合物将Bi2O3混合在一起。反复获得细粉。混合物被熔化了在电热炉中的瓷坩埚中在普通大气条件下，温度为约1275–1300 C，取决于成分，用于大约2小时使熔化物均匀化。失踪后在这些气泡中，熔化物很快被倒在一个预先加热的容器上。不锈钢模具立即转移到马弗炉上。在450℃下退火以消除任何内应力的熔炉，然后关闭熔炉进行冷却。降低到室温。表1给出了准备好的玻璃样品。

2.2密度和摩尔体积测量

应用阿基米德原理，在空气和水中测定了制备的玻璃样品的重量。然后，密度rho;由关系式确定，实验重复三次以获得准确的密度值，这些测量的相对误差约为plusmn;0.001g·cm-3。再利用密度计算出摩尔体积，做好表格。

2.3红外传输测量

对分散在KBr中的粉末玻璃样品基体材料进行红外透射光谱测量，红外测量使用Jasco光谱仪（FT-IR-6100），范围从400到4000 cm-1，准备好所需的光盘后立即记录红外透射光谱。

2.4显微硬度测量

使用Vicker的显微硬度压头（SHIMADZU，HMV-2系列，日本）测量良好抛光的玻璃样品的显微硬度。 该装置允许测量的估计精度为plusmn;0.5mm压痕对角线，至少为每个样本制作和测量六个压痕读数。 进行了测试使用100克的负荷;，所有玻璃的装载时间都是固定的样品（15秒），测量在正常的大气条件下进行。显微硬度值通过乘以常数值9.8达到从kg / mm2至MPa的转换。

2.5化学耐久性

应用减重技术评估所得玻璃的化学耐久性。，样品是用玛瑙砂浆粉碎，然后用B. S. sieves筛分获得直径在0.63和0.32mm之间的颗粒。用乙醇洗涤颗粒，然后用纯干乙醚洗涤三次，然后干燥。之后在烧结玻璃中精确称量样品（1.0g），再将坩埚置于400ml聚乙烯烧杯中，在95℃的0.1N HCl溶液中测试1小时; 引入200ml酸溶液进入聚乙烯烧杯，保证足以覆盖烧结玻璃坩埚，聚乙烯烧杯其内容物被聚乙烯覆盖以减少蒸发。

2.6电学测量

使用Hioki 3522-50 LCR Hister（日本），在100赫兹至1兆赫的频率范围内收集数据，测量参数是串联和并联电容以及不同频率下的串联和标准电阻。将样品面抛光并研磨平行。将样品连接到不可极化的电极（Cu / CuSO4），振荡幅度设定为1伏（小信号）。材料的电气特性可以用串联或并联配置表示。 测量参数是并联电容和电导（Cp，Gp）和不同频率下的串联阻抗Z，再通过方程式计算出电导率和介电常数。测量需在室温下在大气相对湿度（~50％）下在隔离室（干燥器）中进行。

3结果

3.1密度和摩尔体积

所有研究玻璃的密度和摩尔体积的变化如图2所示，它们的值列于表1.很明显，通过增加SiO2 / B2O3替代品，密度值从6.3298增加到6.8550g / cm3（ 在恒定的Bi2O3含量下）。 随着以B2O3为代价连续加入SiO2，摩尔体积从48.5668降至44.2891cm3mol-1。

3.2红外透射光谱

图3显示了该玻璃系统的红外光谱。 所有玻璃组合物在482cm-1,700cm -1,897cm-1,945cm-1,1268cm-1,1676cm-1和3410cm-1处显示出条带。

3.3显微硬度

对所研究的玻璃材料确定了显微硬度特性，并总结在表1中，SiO2 / B2O3替代品的效果导致样品的显微硬度值（即G2-5）与基体玻璃1（不含SiO2）相比增加。

3.4化学耐久性

所有研究的玻璃的化学耐久性的变化如图4所示，它们的值列于表1中。显然，随着SiO2 / B2O3替代物的增加，化学稳定性增强。

3.5电学性能

所研究的玻璃的电测量在室温（约为21℃）下在100Hz至1MHz的范围内进行。 通常，样品的电导率和电介质常数彼此非常接近。本研究表明，在相同频率下，电导率随着SiO2 / B2O3替代物的增加而降低。 玻璃G1具有最高的电导率值（图5）。图6显示了含有不同比例的SiO2 / B2O3替代物的不同样品的介电常数随频率的变化。 随着SiO2 / B2O3替代物的增加，获得了复杂的介电常数值。 图7显示了含有不同比例的SiO2 / B2O3替代物的不同样品的具有频率的阻抗平面。等效电路如图8所示，并假设为代表样品。

  1. 讨论

4.1密度和摩尔体积

通常，玻璃的密度根据玻璃中存在的各种结构基团的质量和尺寸之间的竞争来解释。 因此，密度与离子和离子基团在子结构中的紧密程度有关。在铋硼硅酸盐玻璃中，二氧化硅含量从0到40％（摩尔）的密度增加主要是由于较重的硅离子取代了较轻的硼。摩尔体积定义为玻璃单位质量所占的体积。摩尔体积从48.5668减小到44.2891cm3mol-1表明，在所研究的玻璃中加入SiO 2时，松散的网络结构变得更加收缩。

4.2红外透射光谱（FT-IR）

红外光谱是一种非常有益的技术，可以清楚地了解玻璃的结构，因为它提供了有关构成玻璃网络的局部单元以及容纳改性金属阳离子的阴离子位点的信息。 可假设玻璃网络中的特征原子团的振动与玻璃中其他相邻组的振动无关，这种经验处理可以提供关于玻璃中原子排列的重要信息。

通过检测400~4000 cm-1范围内的傅里叶变换红外光谱（FT-IR），研究了取代B2O3的SiO2对含Bi2O3玻璃结构性能的影响。所研究玻璃的振动红外光谱（图3）具有高铋含量，主要是与最重的Bi3 阳离子的结构单元相关的带。吸收带在中红外光谱中的位置由于重金属氧化铋（Bi2O3）的丰度，目前的玻璃与传统硼酸盐玻璃和结晶通常获得的光谱略有不同。中间区域从400~2000 cm-1延伸，其特征在于网络形成群的特征吸收带的出现[3]。可以认为，在400cm-1中红外范围内出现的主要振动模式与玻璃网络中的结构链相关。这些网络模式与远红外区活跃的金属离子位置振动模式很好地分离。

所研究的玻璃的红外透射光谱如图2所示。通常，Bi3 离子的稳定配位数可以是六或三。 众所周知，在Bi2O3基玻璃的红外光谱中，480和840 cm-1左右的吸收带的存在分别显示了[BiO6]八面体和[BiO3]多面体单元的存在[29]。 图3中约482和897cm-1的中心带分别表明存在[BiO6]八聚体和[BiO3]多面体单元。 因此，所研究的玻璃的铋酸盐结构由[BiO6]八面体和[BiO3]多面体单元构成。

在本玻璃的FT-IR光谱中，对应于扭曲的[BiO6]八面体单元的Bi-O-Bi振动，由于失真程度的降低,482cm-1的带随着SiO2/ B2O3的增加向低波数（455cm-1）移动。

硼酸盐网络的振动模式主要在三个红外光谱区域有效：1200-1500 cm-1（三角形BO3单元的B-O拉伸），850-1200 cm-1（四面体BO4-单元的B-O拉伸）和600-800cm-1（各种硼酸盐段的弯曲振动）。

由于BiO3金字塔形单元中Bi-O键的对称拉伸振动，在897cmtimes;的带上可以叠加来自二硼基团的BO4单元中B-O键的拉伸振动。 随着硅含量的增加，该带的强度缓慢降低。

观察到对应于[BO3]三角形的B-O-B弯曲振动的带从700（G1）移位到720cm-1（G4）。 这种转变可能是由于与强偏振Bi3 离子相关的静电场的影响。 此外，该带的强度随着SiO 2含量的增加而明显降低。

在中红外区域，以1268cm-1<!--

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资料编号：[1312]

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