研究目的
研究铌对两种不同系列磷酸锌铌玻璃结构的影响(代表两种不同情况:i)铌取代初始锌偏磷酸盐玻璃的阳离子部分(A系列,xNb?O?–(50-x)ZnO–50P?O?线);ii)铌在成分上被迫取代磷酸盐玻璃形成网络阴离子(B系列,yNb?O?–50ZnO–(50-y)P?O?线),均以锌偏磷酸盐为起始原料),并找出这些玻璃的结构变化与某些物理化学性质之间的相关性。
研究成果
由于铌(3+)与氧磷键(Nb-OP)的强结合力,玻璃网络中铌(3+)含量的增加充分补偿了结构单元Q2向Q1转化导致的网络弱化,但仍无法阻止Q0浓度升高引发的结晶。密度(本质上也包括摩尔体积)、玻璃化转变温度和热膨胀系数的成分依赖性证实了玻璃性能的高度相似性,进而表明其结构网络的相似性——这一结论基于化学模型及拉曼光谱与31P MAS NMR光谱分析结果而提出。
研究不足
所获结果的误差源于所用实验方法中常见的实验误差。
1:实验设计与方法选择:
采用高纯度试剂级(Sigma-Aldrich)Nb2O5、ZnO和H3PO4,通过传统熔融淬冷法制备两组标称组成为A)xNb2O5-(50-x)ZnO-50P2O5(x=0,1,3,5,7,10,12,15,18)和B)yNb2O5-50ZnO-(50-y)P2O5(y=0,1,3,5,7,10,12,15)的玻璃。称量混合后的前驱体在铂坩埚中750°C煅烧约2小时。随后将配合料在1350-1550°C温度范围内熔融10分钟(温度随五氧化二铌含量增加而调整),快速淬入预加热至~350°C的石墨模具,再缓慢冷却至室温。
2:ZnO和H3PO4,通过传统熔融淬冷法制备两组标称组成为A)xNb2O5-(50-x)ZnO-50P2O5(x=0,1,3,5,7,10,12,15,18)和B)yNb2O5-50ZnO-(50-y)P2O5(y=0,1,3,5,7,10,12,15)的玻璃。称量混合后的前驱体在铂坩埚中750°C煅烧约2小时。随后将配合料在1350-1550°C温度范围内熔融10分钟(温度随五氧化二铌含量增加而调整),快速淬入预加热至~350°C的石墨模具,再缓慢冷却至室温。 样品选择与数据来源:
2. 样品选择与数据来源:通过布鲁克D8 Advance衍射仪(CuKα辐射)对粉末样品进行X射线衍射(XRD)分析确认玻璃的非晶特性,使用布鲁克M4 Tornado微区X射线荧光(μ-XRF)仪检测玻璃化学组成。
3:实验设备与材料清单:
布鲁克D8 Advance衍射仪、布鲁克M4 Tornado、珀金埃尔默Lambda 1050光谱仪、堀场Jobin-Yvon LabRam HR共聚焦显微镜、布鲁克Ascend 500光谱仪、TA仪器TMA Q400分析仪。
4:实验流程与操作规范:
使用珀金埃尔默Lambda 1050光谱仪配合积分球测量未处理样品的紫外-可见-近红外(UV-VIS-NIR)光谱(220-1200nm范围,分辨率2nm)。室温下采用堀场Jobin-Yvon LabRam HR共聚焦显微镜(背散射几何构型,
5:09nm Nd:
5YAG激光激发线)测量拉曼光谱。在11.74T磁场配备3.2mm探头(31P拉莫尔频率=202.40MHz)的布鲁克Ascend 500光谱仪上室温采集31P MAS NMR谱。采用甲苯作为浸渍液(ρs=0.8669 g·cm?3)的标准阿基米德法测定玻璃密度(ρ),根据公式VM=M/ρ计算样品摩尔体积(M为玻璃摩尔质量)。通过TA仪器TMA Q400分析仪的热机械分析获取玻璃化转变温度(Tg)和热膨胀系数(α)。
6:74T磁场配备2mm探头(31P拉莫尔频率=40MHz)的布鲁克Ascend 500光谱仪上室温采集31P MAS NMR谱。采用甲苯作为浸渍液(ρs=8669 g·cm?3)的标准阿基米德法测定玻璃密度(ρ),根据公式VM=M/ρ计算样品摩尔体积(M为玻璃摩尔质量)。通过TA仪器TMA Q400分析仪的热机械分析获取玻璃化转变温度(Tg)和热膨胀系数(α)。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:使用堀场Jobin-Yvon LabSpec 5软件处理数据,采用高斯/洛伦兹混合带拟合光谱?;诟咚瓜咝图偕?,运用TopSpin 3.2(布鲁克)和DMFIT 2017软件进行线形模拟。
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Ascend 500 spectrometer
Ascend 500
Bruker
Collecting 31P MAS NMR spectra at room temperature with a 11.74 T magnet and 3.2 mm probe.
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D8 Advance diffractometer
D8 Advance
Bruker
Confirmation of the amorphous character of the glasses by X-ray diffraction on the powdered samples.
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M4 Tornado
M4 Tornado
Bruker
Checking the chemical composition of the glasses with a micro-X-ray fluorescence (μ-XRF) analysis.
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Lambda 1050 spectrometer
Lambda 1050
Perkin-Elmer
Recording the UV-VIS-NIR spectra on untreated samples using the integration sphere.
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LabRam HR confocal microscope
LabRam HR
Horiba Jobin–Yvon
Measuring Raman spectra at room temperature with backscattering geometry and 532,09 nm excitation line of Nd:YAG laser.
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TMA Q400 analyzer
TMA Q400
TA Instruments
Obtaining the glass transition (Tg) and the thermal expansion coefficient (α) of the samples via thermomechanical analysis.
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