稀土掺杂硼铝硅酸盐玻璃结构的NMR研究

在Sm₂O₃掺杂BaO-B₂O₃-Al₂O_3-SiO_2-Sm₂O₃(BBASS)玻璃系统的形成性能研究的基础上,借助MAS NMR以及差热测试(DTA)技术,研究了玻璃的结构特点以及玻璃组成、热处理条件等因素对玻璃结构的影响. 研究表明,在未掺稀土的BBAS玻璃结构中,硼氧多面体主要以[BO₃]、[BO₄]存在,铝氧多面体主要以[AlO₄]、[AlO₅]、[AlO₆]存在;随着BBAS中BaO含量的增加,硼氧三角体[BO₃]逐渐向[BO₄]转变,原先[AlO₄]、[AlO₅]、[AlO₆]共存的铝氧多面体结构逐渐转变为大量[AlO₄]和少量[AlO₅]共存的结构;稀土Sm³⁺具有较强的积聚作用,其能促使玻璃结构中的硼氧多面体形成巨大的网络结构;热处理对玻璃结构中硼氧多面体和铝氧多面体的配位结构影响不大.     

稀土掺杂P2O5-Al2O3-BaO玻璃的制备及其结构研究

稀土掺杂磷酸盐玻璃具有优异的光学和光谱特性,在激光介质、有色滤光材料等领域中有着重要的应用。在P2O5_Al2O3_BaO_Sm2O3(PABS)玻璃形成能力研究的基础上,借助MAS NMR、红外光谱等分析手段,研究了玻璃的结构、玻璃组成与热处理等对玻璃结构的影响。结果表明:不同组成PAB(S)玻璃的31P MAS NMR谱在-20ppm~-25ppm范围内均存在单一的特征信号峰,对应于磷氧多面体[PO4]的Q2型结构;在18ppm、-12ppm和-36ppm处27Al的MAS NMR谱的三个特征信号峰分别对应于27Al的[AlO5][、AlO6]、[AlO6]配位结构,稀土离子的掺入以及热处理均使得[AlO6]向[AlO5]转变;玻璃的网络结构主要由Q2型[PO4]、[AlO5]和[AlO6]构成,并P_O_P、P_O_Al的形式相连接。玻璃在1383 cm-1处出现的吸收峰可能是玻璃结构中形成了P_O_Sm键所致。     

稀土掺杂硼铝硅酸盐玻璃的析晶特性及其微观结构

借助差热分析测定了稀土掺杂BaO-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃的热稳定性。采用XRD和TEM/EDS研究了在不同热处理条件下M玻璃样品的失透、析晶过程的微观结构。结果表明:随着稀土掺量的逐渐增加,玻璃的热稳定性是先提高后降低;玻璃的失透首先由分相造成,稀土离子大量富集在富硼铝相中,热处理温度越高,玻璃的分相和析晶越明显,玻璃的析晶产物为SmAl2.07(B4O10)O0.6晶体;热处理过程中铝氧多面体的稳定性优于硼氧多面体。     

稀土掺杂ABS防激光玻璃的制备及其结构研究

在稀土掺杂碱硼硅酸盐(ABS)玻璃形成能力研究的基础上,采用核磁共振NMR、红外激光拉曼光谱等测试手段研究该种玻璃的结构特征。研究结果表明,[SiO4]2-、[BO4]5-和[BO3]3-等结构单元通过[SiO4]4--[BO4]5-、[BO4]5--[BO3]3-、[BO3]3--[SiO4]4-等连接方式构成了玻璃网络结构,形成了巨大的介稳体系,稀土Sm3+等阳离子则填充在网络空隙之中。光谱研究结果表明,Sm3+掺杂ABS玻璃对1.06μm波长的激光具有很强的吸收,当稀土含量达到20mol%时,玻璃在1.06μm波长的透过率仅为0.03%。     

高掺杂稀土PBA玻璃的制备及其化学稳定性研究

稀土掺杂磷酸盐玻璃具有优异的光学和光谱特性,在激光介质材料、有色滤光材料等领域中有着重要的应用。在研究P2O5-BaO-Al2O3-Sm2O3(PBAS)玻璃形成能力的基础上,借助NMR、红外吸收光谱等分析手段,研究了玻璃的结构特点以及在各种化学介质条件下玻璃的化学稳定性能、玻璃的组成和结构对化学稳定性的影响。结果表明:玻璃结构主要由磷氧四面体[PO4]3-和铝氧八面体[AlO6]3-构成;Al3+含量越高,玻璃结构越稳定,玻璃的耐水性和耐酸性也越好;玻璃结构中阳离子的极化能力越强,玻璃的耐酸性越好,侵蚀过程中玻璃表面形成的“缺碱层”在一定程度上减缓了化学介质的侵蚀程度;在碱性介质中,磷酸盐长链末节的金属离子被水化,产生P—O—P断键,形成正磷酸盐溶解到溶液中,稀土离子含量的增加,在一定程度上恶化了玻璃的耐碱性能。     

分子动力学模拟钠硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构演化效应

钠硼硅酸盐玻璃作为高放射废物玻璃固化体的候选材料之一,已有大量实验对该类玻璃开展了电子或重离子的辐照效应研究.然而,在理论计算与模拟方面的工作却很少,目前主要集中于重离子的辐照效应,对电子的辐照效应的模拟尚未见报道.本文利用分子动力学工具提出一种新的方法,以实现对电子辐照诱导的玻璃结构演化进行模拟.该方法基于实验中玻璃的结构变化特点,即实验中的拉曼结果已经证实:在大剂量的电子辐照后的玻璃中存在分子氧的事实,由于这些分子氧不会与其他粒子发生相互作用,因而可以通过从体系中逐步地移除一定数量氧原子的方式,以达到模拟大剂量电子辐照的情形,进而得到电子辐照后的玻璃的结构信息.模拟结果显示:随着移除氧原子的数量增加,玻璃中的Si—O—Si平均键角逐渐减小;而且玻璃中的小环数量会因氧的逐渐减少而逐渐增加;玻璃中部分[BO4]结构会转变为[BO3]结构,最终这种转变会达到饱和;大量移除氧之后,玻璃中的钠元素也出现明显的相分离.这些模拟辐照的玻璃结构特性能较好地与实验中的硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构变化符合.因此,本文提出的方法有望为通过分子动力学模拟硼硅酸盐玻璃的电子辐照效应提供新思路.     

稀土掺杂BAP玻璃的制备及性能研究

采用UVPC和DSC等测试手段系统研究了稀土Sm2O3掺杂BaO-Al2O3-P2O5(BAP)激光防护玻璃的光谱性能及析晶性能。结果表明:吸收光谱的特征吸收峰强度随Sm2O3含量的增加逐步增强,吸收谱线向两端非均匀展宽,玻璃在1075nm波长处的光密度与稀土含量近似成线性关系,当Sm2O3含量达到17.5mol%时,透过率T<0.03%;随着稀土含量的增加,玻璃的析晶参数β先增后减,玻璃的析晶倾向也随之先下降而后提高,BaO/Al2O3比值的降低可使玻璃的形成能力提高。     

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。     

CaO-SiO_2-Al_2O_3渣系连铸保护渣结构的拉曼光谱研究

在高铝钢连铸过程中,钢水中的Al与CaO-SiO2基连铸保护渣中的SiO2反应导致保护渣中SiO2含量降低而Al2O3含量大幅增加,CaO-SiO2基转变为CaO-SiO2-Al2O3基连铸保护渣而影响高铝钢连铸,所以研究CaO-SiO2基向CaO-SiO2-Al2O3基保护渣转变过程中结构上发生的变化有助于开发出满足高铝钢连铸需求的保护渣。本文利用拉曼光谱研究了CaO-SiO2基和CaO-SiO2-Al2O3基连铸保护渣的结构特点。研究结果表明,CaO-SiO2基保护渣主要由Q0,Q1,Q2和Q3等微结构单元构成的硅酸盐网络结构;当转变为CaO-SiO2-Al2O3基保护渣后,渣样中的网络破坏体优先用于破坏硅酸盐网络结构,当渣中SiO2含量较低时,部分网络破坏体会促进Al 3+形成[AlO4]四面体结构。渣中生成的[AlO4]四面体会进入硅酸盐网络结构形成铝硅酸盐网络结构,以Al-O-Al或Al-O-Si等方式连接,导致渣样结构变得复杂多变。使用Li2O对Na2O和CaO对MgO等摩尔替代研究表明相同价态离子之间的替换能够改变[AlO4]四面体在硅酸盐网络结构上的连接方式,导致CaO-SiO2-Al2O3基保护渣渣样结构易受成分变化而改变;CaF2对CaO等摩尔替代研究发现,当渣中CaF2小于13mol%,CaF2促进渣样网络结构解体,当高于13mol%时,CaF2又会导致渣样聚合度增加。由此可见,在设计CaO-SiO2-Al2O3基保护渣时,既要考虑不同种类离子对渣样结构产生的影响,又要考虑离子含量的影响。     

Ta2O5对碲铋酸盐玻璃光学性能的影响

通过高温熔融法制备了一系列(90-x)TeO2-10Bi2 O3-xTa2 O5(x=0％,2％,4％,6％,8％)TBT玻璃样品.拉曼光谱和X射线光电子能谱测试结果显示,随着Ta2 O5的加入,玻璃网络中的[TeO3]与[TeO3+1]向[TeO4]转变,玻璃网络结构更加致密.这解释了差示扫描量热法测试中TBT玻璃的...     

Li_2O-(LiCl)_2-B_2O_3-Al_2O_3系玻璃的红外光谱

本工作系统地测量和分析了Li_O-(LiCl)_2-B_2O_3-Al_2O_3系玻璃的红外光谱,据此研究了玻璃中硼的配位数和硼酸盐结构基团随组成的变化以及Al~(3+)和Cl~-离子在结构中所起的作用,并对光谱中某些吸收峰机理作了定性探讨。     

Cerium and boron chemistry in doped borosilicate glasses examined by EELS

Spatially resolved measurements of boron coordination and cerium valency in a doped borosilicate glass with crystalline nano-precipitates are described. The fine structure of the boron K-edge and the white-line ratio of the cerium M-edge doublet were evaluated from EELS line scans. Due to high beam sensitivity it was found that reliable boron-coordination measurements in some of the glasses studied required extrapolation of results acquired after different periods of irradiation back to a zero-irradiation. However, borosilicates that contained heavy alkali atoms were found to suffer very little structural change. The Ce valency of a 4% (molar) doped alkali-borosilicate glass was found to be mixed +III/+IV in the glass matrix and purely +IV (indicative of CeO2) in the precipitates. A significant dependency of the valence results on the data processing method was found and explained.     

Yb^3+含量对掺Er^3+铝酸盐玻璃光谱性质的影响

采用高温熔融法制备百分比为(100-x)(23.6Al2O3-53CaO-7.7BaO-2.1Na2O-10.3Ga2O3-3.1B2O-0.2Er2O3)-xYb2O3(x=0,0.9,1.9,2.8,3.6,4.5)的铝酸盐玻璃。应用差示扫描量热法、吸收光谱、荧光光谱、红外光谱以及拉曼光谱等检测手段,系统研究了不同Yb^3+离子引入量对玻璃的物性、热稳定性、Er^3+离子光谱性质和结构的影响。结果表明,Yb2O3含量越高,玻璃的密度和折射率越大,抗析晶能力有所增强。随着Yb2O3的增加,玻璃在976 nm吸收系数增大,对应于Er^3+离子的2H11/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2以及4F9/2→4I15/2跃迁的527,549,666 nm的上转换发光、红光与绿光发光强度比以及对应于4I13/2→4I15/2的1.53μm近红外荧光强度明显增加。当Yb2O3浓度为3.6%时,铝酸盐玻璃样品在近红外1.53μm荧光最强,此时Yb^3+→Er^3+正向能量传递效率η1最大,约为82.9%。该系列铝酸盐玻璃中Er3+离子1.53μm最大发射截面为0.77×10^-20 cm^2,荧光半高宽最大值为39.4 nm,荧光寿命最大值为4.46 ms。     

Modifier cation (Ba,Ca, La,Y) field strength effects on aluminum and boron coordination in aluminoborosilicate glasses: the roles of fictive temperature and boron content

The field strength of modifier cations has long been known to have important effects on oxide glass properties, but effects on network structure can be complex. For two series of barium, calcium, lanthanum and yttrium aluminoborosilicates with two different B/Si ratios, we report systematic variations in boron and aluminum coordination determined by NMR, and glass transition and heat capacities from differential scanning calorimetry. Data on glasses with different fictive temperatures allow B and Al speciation to be compared on an isothermal basis, rather than as conventionally done for as-quenched structures. Temperature and compositional effects can thus be isolated. These data and comparison to previous studies on glasses with lower B/Si ratios clearly show that higher modifier cation field strength increases the fraction of five- and six-coordinated Al in all compositions. In contrast, the previously documented trend towards more three-coordinated boron (and hence more non-bridging oxygens, NBO) in low B/Si glasses with higher field strength cations reverses in high B/Si and in high NBO compositions. Al and B coordination numbers both decrease with higher fictive temperature in the glasses studied here, suggesting a simple mechanism of coupled structural change.     

掺钕镉铝硅酸盐玻璃的Judd-Ofelt理论分析与光谱特性

以掺杂光子晶体光纤为介质的光纤激光器一直受到科研工作者的广泛关注,应用于光子晶体光纤纤芯的掺稀土元素玻璃的制备成为研制掺杂光子晶体光纤的关键问题。利用高温熔融工艺制备钕离子掺杂的40SiO_2-14Al_2O_3-(40-x)CdO-2Li2O-2K2O-2Na_2O-xNd_2O_3(x=0.07,0.14,0.21,0.35,0.42,0.56mol)重金属硅酸盐玻璃系统,测试了其吸收光谱和荧光光谱。采用Judd-Ofelt理论,计算了玻璃样品的强度参数Ωt(t=2,4,6)以及钕离子的自发辐射概率、荧光分支比、荧光辐射寿命等参数。利用测得的荧光光谱计算了钕离子能级跃迁4 F3/2→4 I11/2的受激发射截面及荧光有效线宽。结果表明:当掺Nd_2O_3的摩尔分数为0.42时,制备的镉铝重金属硅酸盐玻璃具有较大的受激发射截面和比较宽的荧光有效线宽,且与相关文献中的钕离子掺杂玻璃相比,具有良好的激光性能和增益性能,有望在研制掺杂光子晶体光纤中得到应用。     

惯性约束聚变靶丸玻璃微观结构的分子动力学模拟

使用分子动力学方法模拟惯性约束聚变（ICF）玻璃微球靶丸材料的碱金属硼硅酸盐玻璃,研究了不同SiO2与B2O3和不同Na2O与B2O3物质的量比的微观结构,包括键长、键角、配位数以及空穴的分布情况。通过模拟发现,在不同组分的碱金属硼硅酸盐玻璃中,硅原子的网络体结构相对稳定,硼原子的结构会随着成分的变化发生明显变化。同时,针对实际的ICF实验中对玻璃微球充入惰性气体氩的问题,模拟发现,当SiO2与B2O3物质的量比为40.5,Na2O与B2O3物质的量比为17.4,8.5,4.2时,玻璃中存在有较多的供氩扩散的空穴。