二硅酸钠晶体、玻璃及其熔体结构的拉曼光谱研究

采用铜蒸气脉冲激光光源和时间分辨探测技术,实现了对ＪＹＵ１０００拉曼光谱仪的高温改造,可在样品温度高至２０２３Ｋ下稳定地测谱;二硅酸钠晶体、玻璃及其熔体的测量结果表明,高温Ｒａｍａｎ光谱不仅可分辨不同的结构相、提供固－液相变信息,而且能分析具有不同桥氧数的硅氧四面体微结构单元,即聚合状况以及它们随温度的变化,因而为物质的结构研究,特别是高温状态的熔体的研究,提供了重要的手段和依据。     

硅酸盐熔体微结构单元的对称伸缩模的拉曼散射系数

通过一种新开发的模拟计算方法，计算了硅酸钠熔体的拉曼谱，及其在高频区代表5种硅氧 四面体(用Qi表示，其中i表示桥氧数)的特征峰的拉曼散射系数Si，发现成分的变化对5 种Qi的特征峰的拉曼散射系数的影响非常小.在此基础上取平均分别得到：S0=1,S1=0 ．514,S2=0242,S3=0090和S4=0015然后将计算得到的散射系数应用于二硅酸 钠熔体的实验谱图的定量分析中，得到了该熔体中硅氧四面体单元的分布.同时从计算与试 验谱图的定量解谱中发现，钠系硅酸盐熔体谱中Q0和Q2的ASS模所产生的散射信号 不容忽视. 关键词： 拉曼散射系数 硅氧四面体 硅酸盐熔体 高温拉曼谱     

硬玉熔体和玻璃的结构研究

硬玉(NaAlSi₂O₆)及其在极端条件下的行为在地质学和宝石学中有极高的研究价值。考虑到现有单一检测条件的局限,本文综合了多种实验检测手段和理论计算方法对硬玉晶体及其熔体和玻璃的结构以及铝配位数进行了研究。对硬玉晶体热熔过程进行了高温原位拉曼光谱测定,结合第一性原理理论计算方法,得到了硬玉结构和铝配位数的变化及其相应的谱学特征。结合量子化学从头计算对熔体结构进行解析。研究表明：硬玉晶体结构单一且铝全部为六配位,1 293 K时大量六配位铝转变为四配位,熔体中四配位铝占主导,其中硅(铝)氧四面体以多元环连接成架状结构。熔体冷却过程中伴随着五配位铝的生成,并呈现分相趋势。     

CaO-Al2O3-SiO2熔渣结构和热导率的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟研究CaO-Al₂O₃-SiO₂三元熔渣的微观结构和热导率。针对六组不同Al₂O₃含量的熔渣,基于BMH势函数分析了径向分布函数、键长、键角分布函数、氧类型和微结构单元Qⁿ等微观结构信息。结果表明硅和铝在熔渣中以四面体网络结构存在,硅氧四面体较铝氧四面体更为稳定。随着铝含量增加,熔体中的键长和四面体中心角无明显变化,Al-O-Al和Si-O-Al键角逐渐减小;网络中的桥氧(BO)和三配位氧(TO)含量增加,Q³和Q⁴含量增多,在高铝区出现较多的五配位铝(Al^V)。采用Muller-Plathe方法计算了熔渣的热导率,随着铝替代硅原子,网络的聚合程度增加,强化了熔体的热输运能力,热导率呈现增大趋势。     

磷硅酸盐微结构及其拉曼光谱的量子化学计算

构建了系列典型的磷硅酸盐团簇结构模型,应用量子化学从头计算方法研究了磷硅酸盐的精细结构,选用Restricted Hartree-Fock(RHF)方法以及6-31G(d)基组优化空间几何构型,并计算了其拉曼光谱,同时引入硅氧四面体应力指数(SIT)分析和讨论了磷氧四面体对硅氧四面体微环境的影响。研究表明,磷硅酸盐高频区硅氧四面体非桥氧的对称伸缩振动频率不仅与非桥氧所处的硅氧四面体本身的种类有关,同时也与其邻接四面体种类及成环状况有关;磷氧四面体具有较强的键角调节和应力传导能力,使得硅氧四面体的振动频率相对键角不敏感;硅氧四面体非桥氧的对称伸缩振动频率随硅氧四面体应力指数(SIT)的增加而增加,并呈线性关系。     

温度对CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2系纳米晶玻璃陶瓷结构影响的拉曼光谱研究

采用熔融法制备了CaO-MgO-Al2O3-SiO2系纳米晶玻璃陶瓷材料。在-190~310℃温度范围,利用显微共聚焦拉曼光谱测量分析了该体系纳米晶玻璃陶瓷硅氧四面体结构的变化规律。结果表明,随着温度的降低具有不同非桥氧键的硅氧四面体结构单元变化并不一致,位于三维硅氧四面体结构边缘的具有二个非桥氧键的硅氧四面体(Q2)和具有三个非桥氧键的硅氧四面体(Q1),以及完全独立于三维硅氧网络结构外的具有四个非桥氧键的硅氧四面体(Q0)受温度影响明显,其拉曼光谱均向高波数移动,键的力常数变强,硅氧键长变短。为丰富外环境对纳米晶玻璃陶瓷材料结构与性能影响的研究提供了实验依据,也为控制该体系纳米晶玻璃陶瓷材料的膨胀系数提供了一定的实验依据。     

钨酸铅晶体及其熔体结构的高温拉曼光谱研究

测量了升温条件下(298～1473K)钨铅矿型钨酸铅(PbWO4)晶体及其熔体的拉曼光谱,确定了各振动模的归属,其中波数902.7cm-1的最强拉曼峰为[WO4]四面体的内振动光学模式ν1(Ag),属于对称伸缩振动。同时,随温度上升,谱峰展宽并伴随强度减弱,体系内无序化程度增加。至1398K晶体初步熔化,并且在1473K完全熔融,高温熔体谱中自由[WO4]2-结构单元的内振动模式显现,同时发生了由晶体固定晶胞的S4型对称性向熔体中[WO4]2-结构单元的Td型对称性的结构转化,表明PbWO4的熔体中存在相对孤立的[WO4]2-结构单元。     

xCaSiO3·LiBO2固溶体中硅氧四面体微结构形态的拉曼光谱研究

本文测定了xCaSiO3*LiBO2(重量比,x=0, 0.25, 0.33, 0.50)系列的拉曼光谱,分析了硅氧四面体的微结构形态及其随SiO2 浓度的变化.结果表明,在所研究的浓度范围内,其微结构单元,即Qi ( i = 0～4) 均以孤立的硅氧四面体存在,且随SiO2 浓度的增加, Q2, Q4 的丰度有明显增加;此外,硅氧四面体的伸缩振动谱峰的积分强度总和与SiO2 浓度呈线性相关,为采用拉曼光谱直接分析矿物、炉渣、玻璃和土壤中的SiO2 提供了可能.     

Li_2B_4O_7晶体、玻璃及其熔态结构的高温Raman光谱研究

采用半导体脉冲激光光源和时间分辨探测技术 ,测定了二硼酸锂 (Li2 B4O7)晶体、玻璃及其熔融态的常温及高温拉曼光谱 (在 2 98～ 1 773K的温度范围 ) ,观察了其在高温下的相转变、升温过程及其熔体的特征光谱变化。通过谱图解析 ,研究分析了熔体微结构单元的分布和转化及其与固态晶体和玻璃态的区别     

钠钛硅酸盐精细结构及其拉曼活性分子振动的量子化学从头计算研究

本文选取了Na_2O-TiO_2-SiO_2体系不同成分的团簇模型,采用量子化学从头计算方法计算其拉曼振动频率和相对散射活性。本文分析了钛硅酸盐中硅氧四面体([SiO_4])的局域环境变化对特征拉曼振动频率的影响,对硅氧四面体应力指数进行了拓展与修正,研究表明钠钛硅酸盐拉曼光谱高波数区硅氧四面体非桥氧对称伸缩振动频率随相应的硅氧四面体应力指数的增加而增加,并表现出良好的线性相关性。采用拉曼光谱和~(29)Si NMR对Na_2TiSiO_5玻璃进行解谱、定量分析和比较,并认为869 cm~(-1)处的谱峰归属为Q_(1(Si))中非桥氧的对称伸缩振动。     

三硼酸铋晶体及其高温熔体结构的拉曼光谱研究

测量了BiB3O6晶体从常温到熔融态的拉曼光谱,考察了其温致结构变化和预测了熔体的结构基元。同时,采用量子化学从头计算和密度泛函理论对拉曼光谱进行了计算和结构分析。结果表明,随着温度的升高,对包含阳离子Bi的外部晶格和[BO3]3-硼氧三角形基团结构的温致结构影响有限,却有效地削弱了[BO4]5-硼氧四面体基团结构,其松弛度增加,稳定性变差,并在熔体结构中彻底消失。研究表明BiB3O6熔体主要以硼氧六元环[B6O12]6-的形式存在,阳离子Bi起电荷平衡作用,其氧配位数为3,有别于晶体中的6。     

BSO晶体及生长固/液边界层的拉曼光谱分析

测量了 BSO晶体在常温和高温下宏观拉曼光谱 ,据此分析晶体结构在高温下的变化规律 ,详细实时地测量了晶体在熔化和生长过程中 ,固 /液边界层以及边界层两侧的晶体和熔体的显微拉曼光谱 ,分析得出该晶体生长边界层内的结构特征 ,以及生长基元结构从熔体结构经边界层过渡到晶体结构的变化过程     

Bi4Ge3O12晶体及其熔体结构的高温拉曼光谱研究

研究了BGO晶体在不同温度下(在300—1323 K的温度范围)的拉曼光谱及其熔体的高温拉曼光谱，分析了BGO晶体结构随温度变化的规律及BGO熔体的结构特征.随着温度的升高，BGO晶体的拉曼光谱谱峰都不同程度地向低波数方向移动，也存在不同程度的展宽，同时强度减弱.另外，在BGO熔体中存在［GeO₄］和［BiO₆］的结构基团；但两种结构之间的联键消失，即在熔体中二者是相互独立的生长基元. 关键词： 高温拉曼光谱 熔体 BGO晶体     

无水五硼酸钾晶体高温性质振动光谱的研究

利用自行设计的反应器研究了高温条件下水蒸汽对无水五硼酸钾晶体结构的影响,借助于X射线衍射、红外光谱、Raman光谱等手段分析了无水五硼酸钾晶体高温性质的振动光谱。在水蒸汽的作用下,五硼酸钾的B₂O₃/K₂O(摩尔比)变小,X射线衍射分析表明750 ℃时晶体中有K₅B₁₉O_<sub>31存在,而红外光谱与Raman光谱分析表明由于水蒸汽的作用使得晶体中的三角形B₍₃₎—O结构单元向四面体B₍₄₎—O结构单元转变,四面体的B₍₄₎—O含量增加并且硼氧网络结构被进一步打断。     

BSO晶体的高温拉曼光谱与高温结构特征

阐述了BSO晶体在常温下的结构特征,通过测量晶体在常温下的拉曼光谱,对晶格主要振动模式进行了指认,测量晶体升温至熔化过程中不同温度下的拉曼光谱,分析研究了其微观结构在升温过程中的变化以及在高温状态下的结构特征。     

Structural disorder and optical properties of congruent lithium niobate crystals doped with zink and boron

From the concentration dependence of the widths and intensities of Raman lines and from the patterns of photoinduced light scattering, it is found that the mechanism of incorporation of Zn²⁺ cations into the LiNbO₃ crystal structure changes with increasing concentration of zinc in the melt, which leads to an abrupt anisotropic expansion of oxygen octahedra along the polar axis. In this case, the number of kinks in the concentration dependence of linewidths (5) considerably exceeds the number of concentration threshold (2) known from the literature. It is shown that B³⁺ ions almost do not enter the cationic sublattice of the LiNbO₃ crystal but changes the melt structure, so that the LiNbO₃:B crystal is characterized by a high structural and optical homogeneity and a low photorefractive effect.     

直拉法晶体生长过程非稳态流体热流耦合

为了改善复杂对流形态下的晶体生长品质, 提出了一种改进的格子Boltzmann方法研究非稳态熔体流动和传热的耦合性质. 该方法基于不可压缩轴对称D2Q9模型, 构建了包含旋转惯性力和热浮力等外力项的演化关系, 实现了对轴对称旋转流体的速度、温度和旋转角速度的计算与分析. 结果表明, 非稳态熔体中的流、热耦合性质与格拉斯霍夫数和雷诺数的相互作用有关; 通过调节高雷诺数, 可有效抑制熔体中的自然对流, 改善温度分布, 有助于提高单晶的品质. 数值计算结果与实际硅单晶生长试验均证明了所提方法的正确性及有效性.     

用XPS研究高灰熔融温度煤灰的矿物结构转化

高灰熔点X煤通过添加钙镁复配(W_CaO/W_MgO=1)助熔剂降低灰熔点,在模拟煤气化过程中制备灰渣,用X射线光电子能谱(XPS)分析不同温度点灰渣中O,Si,Al,Ca,Mg的存在形态及演化过程。认为钙镁复配助熔剂降低灰熔点主要是作用在硅、铝、氧结构变化上,表现为铝元素结构中铝氧配位方式的变化,即四配位的铝氧四面体[AlO₄]和六配位的铝氧八面体[AlO₆]随温度的变化而变化;硅元素结构中SiO₂链的破坏,Ca2+和Mg2+加入会破坏SiO₂链,使得桥氧硅变为非桥氧硅;以及氧元素结构中桥氧键断裂和非桥氧键形成。结合Factsage热力学分析软件,分析了添加钙镁复配助熔剂后,煤灰渣的高温相平衡组成,从矿物的结构变化研究助熔剂的助熔机理。结果表明,添加钙镁复配助熔剂后,Ca2+和Mg2+易与硅氧和铝氧四面体以及铝氧八面体中非桥氧键结合,生成低熔点的长石类矿物和镁质矿物,从而降低煤灰熔融温度。