玻璃结构与性能b

非晶态结构与性质内容提要熔体和玻璃体是物质另外两种聚集状态。

相对于晶体而言，熔体和玻璃体中质点排列具有不规则性，至少在长距离范围结构具有无序性，因此，这类材料属于非晶态材料。

从认识论角度看，本章将从晶体中质点的周期性规则形排列过渡到质点微观排列的非周期性、非规则性来认识非晶态材料的结构和性质。

熔体特指加热到较高温度才能液化的物质的液体，即较高熔点物质的液体。

熔体快速冷却则变成玻璃体。

因此，熔体和玻璃体是相互联系、性质相近的两种聚集状态，这两种聚集状态的研究对理解无机材料的形成和性质有着重要的作用。

传统玻璃的整个生产过程就是熔体和玻璃体的转化过程。

在其他无机材料（如陶瓷、耐火材料、水泥等）的生产过程中一般也都会出现一定数量的高温熔融相，常温下以玻璃相存在于各晶相之间，其含量及性质对这些材料的形成过程及制品性能都有重要影响。

如水泥行业，高温液相的性质（如粘度、表面张力）常常决定水泥烧成的难易程度和质量好坏。

陶瓷和耐火材料行业，它通常是强度和美观的有机结合，有时希望有较多的熔融相，而有时又希望熔融相含量较少，而更重要的是希望能控制熔体的粘度及表面张力等性质。

所有这些愿望，都必须在充分认识熔体结构和性质及其结构与性质之间的关系之后才能实现。

本章主要介绍熔体的结构及性质，玻璃的通性、玻璃的形成、玻璃的结构理论以及典型玻璃类型等内容，这些基本知识对控制无机材料的制造过程和改善无机材料性能具有重要的意义。

4.1 熔体的结构一、对熔体的一般认识自然界中，物质通常以气态、液态和固态三种聚集状态存在。

这些物质状态在空间的有限部分则称为气体、液体和固体。

固体又分为晶体和非晶体两种形式。

晶体的结构特点是质点在三维空间作规则排列，即远程有序；非晶体包括用熔体过冷而得到的传统玻璃和用非熔融法（如气相沉积、真空蒸发和溅射、离子注入等）所获得的新型玻璃，也称无定形体，其结构特点是近程有序，远程无序。

习惯上把高熔点物质的液体称为熔体（指熔点温度以上，具有一定流动性的液体），所以对于硅酸盐来说，它的液体一般称之为熔体。

第七章玻璃的结构与性能一、填空题：1、玻璃的结构特征为﹍短程有序﹍﹍和﹍长程无序﹍﹍。

P1782、玻璃包装材料主要是﹍钠钙玻璃﹍﹍，它具有很好的化学惰性和稳定性，有很高的抗压强度。

3、固态物质的两种不同的结构状态是﹍晶体﹍﹍和﹍玻璃﹍﹍。

4、在石英玻璃和普通玻璃中，﹍﹍二氧化硅﹍又叫作网络形成体氧化物。

5、在玻璃加工工艺中，料性﹍长﹍（长、短）的玻璃粘度随温度变化慢，适合形状复杂的玻璃器皿成型；料性﹍短﹍（长、短）的玻璃粘度随温度变化快，适合制瓶机成型6、玻璃与水和酸作用的实质是﹍玻璃中硅酸盐水解﹍。

7、玻璃化学稳定性常用的测试方法有﹍粉末法﹍﹍和﹍表面法﹍﹍。

8、当今玻璃包装材料的一个主要发展趋向是﹍开发生产高强度轻量玻璃容器﹍﹍。

二、选择题：1、可以单独形成玻璃的形成体氧化物是（ B ）A CaOB SiO2C Na2OD AL2O32、氧化物玻璃的组成（形成，改变，中间）p178A 形成体氧化物、改变体氧化物、网络外体氧化物B 形成体氧化物、网络外体氧化物、中间体氧化物C 改变体氧化物、网络外体氧化物、中间体氧化物D 改变体氧化物、碱土金属氧化物、中间体氧化物3、本身不能单独形成玻璃，但能改变玻璃的性质的氧化物不包括（ C ）A Na2OB K2OC LiD ZnO4、由SiO2、B2O3和AL2O3三种氧化物形成的玻璃，若SiO2＞B2O3＞AL2O3，则此玻璃称为（ A ）A 铝硼硅酸盐玻璃B 硼铝硅酸盐玻璃C 硅硼铝酸盐玻璃D 硅铝硼酸盐玻璃三、名词解释题：1、玻璃形成体氧化物——氧化物玻璃组成成分中可以单独形成玻璃的氧化物。

2、玻璃改变体氧化物——氧化物玻璃组成成分中不可以单独形成玻璃，但可以改变玻璃的性质的氧化物。

3、玻璃中间体氧化物——介于玻璃形成体氧化物和玻璃改变体氧化物之间的氧化物，在一定条件下可以成为玻璃形成体的氧化物。

4、理论强度——理论强度是指玻璃不存在任何缺陷的理想情况下，能承受的最大负荷。

第36卷第1期 石圭叙盆通报Vol.36 No.1 2017 年 1 月___________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY_______________January,2017A1203对硼硅酸盐玻璃结构和性能的影响朱奎\程金树1>2,陆平\郭振强2(1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉430070;2.河北省沙河玻璃技术研究院，沙河054100)摘要:硼硅酸盐玻璃具有优良的抗热冲击性能和优异的光学性能。

主要探讨了A1203对硼硅酸盐玻璃的结构和性 能的影响。

通过红外光谱测试分析了A1203含量不同时玻璃的结构变化，测试了玻璃的热膨胀系数，转变温度、膨 胀软化温度、粘度和化学稳定性。

研究结果表明:A1203的加入使得玻璃结构中[B04 ]减少，[B03 ]相应增加，从而 使得玻璃结构疏松。

玻璃的热膨胀系数增大，r g和膨胀软化点r d降低，化学稳定性减弱;但玻璃的软化点r f在 A1203含量小于3%时，随A1203含量增加有降低趋势，大于3%时随A1203含量增加有增大的趋势。

玻璃的高温粘 度随A1203的加入增大，但低温粘度减小。

关键词:硼硅酸盐玻璃；红外光谱；热膨胀；粘度；化学稳定性中图分类号:TQ171 文献标识码:A文章编号:1001-1625(2017)01-0396-05 Effect of A1203on Structure and Properties of Borosilicate GlassZHU Kui1, CHENG Jin-shua ,LU Ping1, GUO Zhen-qiang2(1. State Key Laboratory o f Silicate Materials for A rchitectures,W uhan U niversity o f Technology, W uhan 430070,C hin a；2. Hebei Shahe Glass Technology Research In s titu te, Shahe 054100, C hina)Abstract：The borosilicate glass has excellent thermal shock resistance and excellent optical performance.This paper was mainly studied on influence of A1203on the structure and properties of the borosilicate glass. The structure of borosilicate glass was analyzed by infrared spectra at different contents of A1203.The thermal expansion coefficient, transition temperature, softening temperature, viscosity and chemical stability of the glass were tested. The result show that：with the addition of Al203 , the [ B04 ] in the glass structure decreased, and the [ B03 ] increased correspondingly, so glass structure becomes more loose；The thermal expansion coefficient of glass is increased, and the Tg and the expansion softening point Td decrease, the chemical stability is reduced；However, the softening point T{of the glass decreases with the increase of the A1203content when the A1203content is less than 3% , and it is opposite when the Al2 03content is more than 3 %. the high temperature viscosity of the glass increases with the addition of A1203 , but the low temperature viscosity decreases.Key words：borosilicate glass ；infrared spectrum ；thermal expansion ；viscosity ；chemical stability1引言硼硅酸盐玻璃以S i02，B203，Na20为基本成分，其中S i02>78%，B203>10%的硼硅酸盐玻璃称为高硼硅玻璃。

玻璃材料的结构与性能测试技术玻璃材料作为一种传统的非金属材料，因其优异的透光性、绝缘性、硬度大、化学稳定性等特点，在建筑、交通工具、电子电器等领域有着广泛的应用玻璃材料的结构与性能直接影响其在实际应用中的表现，因此，对玻璃材料的结构与性能进行测试是十分必要的一、玻璃材料的结构测试技术玻璃材料的结构测试主要是对其内部缺陷、结晶状态、微观形貌等方面进行分析目前，常用的结构测试技术主要包括光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、光学发射扫描电子显微镜（EBSEM）等1.光学显微镜：光学显微镜是一种基本的显微观察手段，可以观察到玻璃样品表面的微观形貌通过光学显微镜，可以对玻璃材料的表面裂纹、气泡等缺陷进行观察和分析2.扫描电子显微镜（SEM）：SEM是一种高分辨率的显微观察技术，可以对玻璃样品进行表面形貌观察，同时可以通过能谱分析确定样品的元素组成SEM适用于对玻璃样品微观形貌和成分的分析3.X射线衍射（XRD）：XRD是一种分析材料晶体结构的手段，通过分析衍射峰的位置、形状和强度，可以确定玻璃样品中的结晶相、晶粒大小、结晶度等信息XRD适用于对玻璃样品结晶状态的分析4.光学发射扫描电子显微镜（EBSEM）：EBSEM结合了SEM和能谱分析的优势，可以观察玻璃样品的微观形貌，并通过能谱分析确定样品的元素组成和化学状态EBSEM适用于对玻璃样品表面和近表面结构的分析二、玻璃材料的性能测试技术玻璃材料的性能测试主要是对其物理、化学、热等性能进行测试，以评估其在实际应用中的性能表现常用的性能测试技术包括硬度测试、热膨胀系数测试、透光率测试、耐化学性测试等1.硬度测试：硬度测试是评估玻璃材料抗划伤、抗磨损能力的重要手段常用的硬度测试方法有莫氏硬度测试、维氏硬度测试等2.热膨胀系数测试：热膨胀系数测试是评估玻璃材料在温度变化下的尺寸稳定性的重要手段常用的热膨胀系数测试方法有膨胀仪测试、热机械分析（TMA）等3.透光率测试：透光率测试是评估玻璃材料光学性能的重要手段常用的透光率测试方法有分光光度计测试、透射电子显微镜（TEM）等4.耐化学性测试：耐化学性测试是评估玻璃材料在特定化学环境下稳定性的重要手段常用的耐化学性测试方法有浸泡测试、反应釜测试等通过对玻璃材料的结构与性能进行测试，可以全面了解玻璃材料的性能，为玻璃材料的研发、生产和应用提供重要依据三、玻璃材料的结构与性能关系分析玻璃材料的结构对其性能有着直接的影响例如，玻璃中的气泡和杂质会影响其透光率和强度；玻璃的结晶状态和晶粒大小会影响其硬度和热稳定性；玻璃的化学成分会影响其耐化学性和电绝缘性能等因此，对玻璃材料的结构与性能关系进行分析是十分必要的1.结构对性能的影响：玻璃材料的结构决定了其性能，如气泡多的玻璃强度较低，透光性较差；结晶度高的玻璃热稳定性较好，但可能会影响透光性因此，了解玻璃材料的结构对性能的影响，有助于优化玻璃材料的制备工艺，提高其性能2.性能对结构的影响：玻璃材料的性能也反过来影响其结构，例如，高温下玻璃的软化性能使其在成型过程中容易发生形变，从而影响其微观结构因此，在制备玻璃材料时，需要充分考虑性能对结构的影响，以保证玻璃材料的质量四、玻璃材料的结构与性能测试技术的应用玻璃材料的结构与性能测试技术在玻璃材料的研发、生产和应用中发挥着重要作用1.研发：通过结构与性能测试技术，可以了解不同玻璃材料的性能，为新型玻璃材料的研发提供依据例如，通过调整玻璃的化学成分和制备工艺，可以研发出具有优异性能的玻璃材料2.生产：结构与性能测试技术可以用于监控玻璃生产过程中的质量，确保玻璃材料的性能符合标准例如，通过在线检测玻璃的厚度、透光率等性能参数，可以实时监控玻璃生产质量3.应用：结构与性能测试技术可以指导玻璃材料在实际应用中的选择和使用例如，在建筑领域，通过测试不同玻璃材料的性能，可以选择合适的玻璃材料用于窗户、幕墙等五、发展趋势与展望随着科技的进步和玻璃材料应用领域的不断拓展，玻璃材料的结构与性能测试技术也在不断发展未来的发展趋势与展望如下：1.高分辨率显微技术的应用：随着显微技术的发展，高分辨率显微镜如透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）等将被更广泛地应用于玻璃材料的结构与性能测试中，为玻璃材料的微观结构研究提供更加精确的数据2.智能化测试技术的应用：随着和大数据技术的发展，玻璃材料的结构与性能测试将更加智能化例如，通过自动测试系统，可以实现对大量玻璃样品进行快速、准确的测试，提高测试效率3.在线测试技术的应用：在线测试技术可以在玻璃生产过程中实时监测玻璃材料的性能，有助于提高玻璃材料的质量和生产效率例如，通过在线测试系统，可以实时监测玻璃的厚度、透光率等性能参数，确保玻璃材料的性能符合标准4.绿色测试技术的应用：随着环保意识的增强，绿色测试技术在玻璃材料的结构与性能测试中将得到更广泛的应用例如，无损检测技术可以避免对玻璃样品造成破坏，减少对环境的影响玻璃材料的结构与性能测试技术在玻璃材料的研发、生产和应用中发挥着重要作用随着科技的进步和测试技术的不断发展，玻璃材料的结构与性能测试技术将为玻璃材料行业的发展提供更有力的支持六、综合测试与分析技术为了全面了解玻璃材料的结构与性能，通常需要采用多种测试技术进行综合测试与分析这些技术包括光学测试、热测试、力学测试和电性能测试等1.光学性能综合测试：通过分光光度计、光谱仪等设备，对玻璃材料的光学性能进行全面测试，包括透光率、反射率、吸收率等参数这些数据对于评估玻璃材料在光学应用中的性能至关重要2.热性能综合测试：通过热膨胀系数测试仪、热机械分析（TMA）等设备，对玻璃材料的热性能进行测试，包括热膨胀系数、软化点、热稳定性等这些数据对于玻璃材料在高温环境下的应用具有重要意义3.力学性能综合测试：通过硬度计、拉伸测试机等设备，对玻璃材料的力学性能进行测试，包括硬度、抗拉强度、断裂韧性等这些数据对于评估玻璃材料在力学环境下的性能至关重要4.电性能综合测试：通过电阻测试仪、介电性能测试仪等设备，对玻璃材料的电性能进行测试，包括电阻率、介电常数、绝缘性能等这些数据对于玻璃材料在电子电器领域的应用具有重要意义七、测试技术的优化与改进为了提高玻璃材料的结构与性能测试的准确性和效率，不断优化和改进测试技术是必要的1.测试设备的更新与升级：随着科技的发展，新型测试设备不断涌现更新和升级测试设备，可以提高测试精度和效率，从而更好地满足玻璃材料测试的需求2.测试方法的改进：针对不同玻璃材料的结构和性能特点，研究和开发适用于特定材料的测试方法，可以提高测试的准确性和可靠性3.测试数据的处理与分析：采用先进的数据处理和分析方法，如机器学习、大数据分析等，可以更好地解析测试数据，从而提高测试结果的准确性和实用性八、结论玻璃材料的结构与性能测试技术是玻璃材料行业的重要组成部分通过对玻璃材料的结构与性能进行测试，可以全面了解玻璃材料的性能，为玻璃材料的研发、生产和应用提供重要依据随着科技的进步和测试技术的不断发展，玻璃材料的结构与性能测试技术将为玻璃材料行业的发展提供更有力的支持在未来，玻璃材料的结构与性能测试技术将继续朝着高分辨率、智能化、绿色化、综合化的方向发展同时，测试技术的优化和改进也将不断推动玻璃材料行业的创新和发展玻璃材料的结构与性能测试技术在玻璃材料的研发、生产和应用中发挥着重要作用，对于推动玻璃材料行业的发展具有重要意义。

第43卷第4期2024年4月硅㊀酸㊀盐㊀通㊀报BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol.43㊀No.4April,2024CsCl 对Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃结构与性能的影响张宝东1,许军锋2,赵㊀华1,祖成奎1,刘永华1,张袆袆1,潘㊀峰1,周㊀鹏1(1.中国建筑材料科学研究总院有限公司,北京㊀100024;2.西安工业大学材料与化工学院,西安㊀710021)摘要:CsCl 是制备硫系微晶玻璃最常用的形核剂,本文在Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃中添加不同含量的CsCl,通过不同的冷却方式制备玻璃试样,使用X 射线衍射㊁红外透过光谱㊁差示扫描量热分析㊁热膨胀㊁拉曼光谱等测试方法,研究CsCl 对Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃结构与性能的影响㊂结果表明:通过盐浴冷却制备的(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%,质量分数)玻璃是典型的非晶态结构,并具有良好的红外透过性能;在Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃中加入CsCl 后,玻璃的长波截止波长没有明显的变化,平均线性膨胀系数明显增大,随着CsCl 含量的增加,玻璃的密度㊁显微维氏硬度㊁开始析晶温度㊁析晶峰温度㊁屈服点和软化点都逐渐减小,玻璃的热稳定性能降低;随着CsCl 含量的增加,玻璃中Sb Se 键的含量减少,玻璃结构堆积紧密程度降低,这也是玻璃密度和显微维氏硬度降低的原因㊂关键词:硫系玻璃;CsCl;冷却方式;红外透过率;热稳定性能;拉曼光谱中图分类号:TN213;TQ171㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1001-1625(2024)04-1318-07Effect of CsCl on Structure and Properties of Ge 20Sb 10Se 65Te 5GlassZHANG Baodong 1,XU Junfeng 2,ZHAO Hua 1,ZU Chengkui 1,LIU Yonghua 1,ZHANG Yiyi 1,PAN Feng 1,ZHOU Peng 1(1.China Building Materials Academy,Beijing 100024,China;2.School of Materials and Chemical Engineering,Xi an Technological University,Xi an 710021,China)Abstract :CsCl is the most commonly used nucleating agent for preparing chalcogenide glass-ceramics.In this paper,different content of CsCl was added to Ge 20Sb 10Se 65Te 5glass,and glass samples were prepared by different cooling methods.The effect of CsCl on the structure and properties of Ge 20Sb 10Se 65Te 5glass was studied by X-ray diffraction,infrared transmission spectra,differential scanning calorimetry,thermal expansion and Raman spectra.The results show that (100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%,mass fraction)glass prepared by salt bath cooling has a typical amorphous structure and good infrared transmittance.After adding CsCl into Ge 20Sb 10Se 65Te 5glass,the long-wave cut-off wavelength of the glass has no obvious change,but the average linear expansion coefficient increases obviously.With the increase of CsCl content,the density,micro Vickers hardness,initial crystallization temperature,crystallization peak temperature,yield point and softening point of the glass gradually decrease,and the thermal stability of the glass decreases.With the increase of CsCl content,the content of Sb Se bond in glass decreases,and the packing degree of the glass structure decreases,which is also the reason for the decrease of the glass density and micro Vickers hardness.Key words :chalcogenide glass;CsCl;cooling method;infrared transmittance;thermal stability;Raman spectra收稿日期:2023-11-16;修订日期:2023-12-27基金项目:建材联合会 揭榜挂帅 项目(20221JBGS06-19)作者简介:张宝东(1995 ),男,助理工程师㊂主要从事红外特种玻璃的研究㊂E-mail:zhangbaodong_z@ 0㊀引㊀言与传统的红外材料如硫化锌㊁硒化锌㊁单晶锗等相比,硫系玻璃具有优良的红外透过性能和极佳的消热差性能[1],同时,硫系玻璃的玻璃化转变温度较低,可通过精密模压成型直接加工成透镜[2],制备和加工成本低,可以解决传统红外系统透镜制备工艺复杂㊁加工周期长以及合格率较低等问题,被视为新一代温度自第4期张宝东等:CsCl 对Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃结构与性能的影响1319㊀适应红外光学系统的核心材料[3]㊂然而,硫系玻璃的力学性能相对较差,加工过程中容易碎裂,限制了其应用范围㊂在玻璃中添加形核剂并结合热处理制备成微晶玻璃可以有效改善玻璃的力学性能㊂CsCl 是制备硫系微晶玻璃最常用的形核剂,在玻璃基体中加入CsCl 会对玻璃的性能产生一定的影响㊂Masselin 等[4]对(80GeS 2-20Ga 2S 3)100-x (CsCl)x ,0ɤx ɤ20系列的玻璃进行了研究,发现随着CsCl 含量的增加,玻璃的密度逐渐增大,加入CsCl 后玻璃中形成了GaS 3/2Cl -四面体结构,导致玻璃的线性折射率n 0㊁非线性折射率系数n 2㊁吸收系数β减小㊂Zhao 等[5]系统地考察了CsCl 的加入对(100-x )(0.5GeS 2-0.5Sb 2S 3)-x CsCl (x %=0%,5%,10%,15%,20%,25%,35%和40%,摩尔分数)玻璃性能的影响,研究表明,随着CsCl 的加入,玻璃的密度ρ㊁维氏硬度H V 和玻璃化转变温度T g 降低,而断裂韧性K c 增加㊂张花等[6]对(100-x )(0.9GeS 2-0.1Sb 2S 3)-x CsCl(x %=5%,10%,15%,20%,摩尔分数)系列硫卤玻璃进行了研究,结果表明,随着CsCl 含量的增加,样品的线性折射率变小,短波截止波长蓝移,光学带隙逐渐增大,玻璃稳定性变差㊂沈祥等[7]研究了CsCl 对20GeSe 2-(80-x )Sb 2Se 3-x CsCl(x %=2%,4%,8%,10%,摩尔分数)系列硫卤玻璃短波吸收限的影响,结果表明,引入CsCl 后降低了非键孤对电子所处的能级能量,导致禁带宽度变大,短波吸收限蓝移㊂Ge-Sb-Se-Te 玻璃具有较高的玻璃化转变温度和优良的红外透过性能,通过添加CsCl 并结合热处理制备微晶玻璃来改善其力学性能具有重要意义,然而CsCl 对Ge-Sb-Se-Te 玻璃的影响目前尚无相关报道㊂本研究将在Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃中添加不同含量的CsCl,研究CsCl 对Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃结构及性能的影响,为进一步制备Ge-Sb-Se-Te 微晶玻璃提供理论依据㊂1㊀实㊀验1.1㊀玻璃样品制备图1㊀硫系玻璃的熔制曲线Fig.1㊀Melting curve of chalcogenide glass 采用熔融-淬冷法制备(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%,质量分数)玻璃样品,选用石英安瓿瓶作为制备容器,先用氢氟酸和丙酮清洗,再用去离子水清洗并烘干㊂在真空手套箱中将高纯度(99.99%,质量分数)Ge㊁Sb㊁Se㊁Te㊁CsCl 按照化学计量比称取15g 装入石英安瓿瓶中,然后抽真空,当真空度达到2ˑ10-3Pa 时,将石英安瓿瓶密封并放入摇摆炉中㊂按照原料熔点设计熔制曲线,如图1所示㊂熔制完成后将玻璃熔体采用空冷㊁石棉包裹空冷㊁盐浴冷却(盐溶液为55%(质量分数)KNO 3+45%(质量分数)NaNO 2,温度为200ħ)三种不同方式淬冷,待玻璃熔体表面脱瓶后,将玻璃放入退火炉中,在玻璃化转变温度20ħ以下进行退火处理以消除内应力,之后将试样切割成2mm 厚的片状进行后续检测㊂1.2㊀分析和测试采用Nicolet IS50型傅里叶红外光谱仪测试玻璃试样的红外透过率,波数范围为400~4000cm -1㊂采用日本岛津UV-2600型紫外可见光分光光度计测试玻璃试样在短波范围内的红外透过率,测试范围为200~1400nm㊂使用布鲁克D8DISCOVER A25型X 射线衍射仪对试样的相结构进行分析,采用Cu 靶,衍射角扫描范围为10ʎ~90ʎ㊂使用HV-1000型显微硬度计测量试样的显微维氏硬度,测试时所施加的载荷为0.49N,保压时间为10s,多次测量,然后取平均值㊂使用瑞士METTLER TOLEDO 公司DSC3+型差示扫描量热分析仪测试试样的DSC 曲线,称取20mg 粒径小于200μm 的试样粉末放入铝坩埚中,氮气氛围下测试升温速率为10K /min 时的DSC 曲线㊂使用TMA /SDTA840型热机械分析仪测试试样的热膨胀曲线,该设备温度准确性为ʃ0.25ħ,分辨率为10nm,测试时设置的升温速率为5K /min,施加的压力为0.1N㊂使用法国Horiba LabRAM HR Evolution 拉曼光谱仪测试试样的拉曼光谱,测试时激发光源的波长为785nm,测试范围为130~250cm -1㊂1320㊀ 玻璃材料与玻璃技术 专题(II)硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷2㊀结果与讨论2.1㊀不同冷却方式分析分别使用直接空冷㊁石棉包裹空冷㊁盐浴冷却三种不同的冷却方式制备96Ge20Sb10Se65Te5-4CsCl玻璃,所得到的试样照片如图2所示㊂直接空冷的玻璃试样在冷却过程中心部位置和外表面之间冷却速率不同,存在温度梯度,产生较大的内应力,玻璃试样发生碎裂,无法进行后续检测㊂石棉包裹空冷和盐浴冷却得到的玻璃试样形状完好,表面光亮,有金属光泽㊂将试样退火后切割成2mm厚的薄片并将上下表面打磨抛光,测试其X射线衍射(XRD)谱和红外透过光谱,测试结果如图3所示㊂图2㊀不同冷却方式制备的96Ge20Sb10Se65Te5-4CsCl玻璃试样照片Fig.2㊀Photos of96Ge20Sb10Se65Te5-4CsCl glass samples prepared by different cooling methods图3㊀不同冷却方式制备的96Ge20Sb10Se65Te5-4CsCl玻璃XRD谱和红外透过光谱对比Fig.3㊀Comparison of XRD patterns and infrared transmission spectra of96Ge20Sb10Se65Te5-4CsClglass prepared by different cooling methods从图3(a)中可以看出,盐浴冷却的试样XRD谱上存在弥散分布且宽化的衍射峰包,即 馒头峰 ,没有晶体衍射峰出现,是典型的非晶态结构特征,而石棉包裹空冷的试样存在晶体衍射峰,表明玻璃试样中有晶体存在,使用Jade与标准PDF卡片对比分析,该衍射角所对应的晶相为Se(PDF-06-0362)㊂对图3(b)进行分析可以看出,通过盐浴冷却所得到的玻璃试样红外透过率良好,在4~15μm波段透过率超过了60%,而石棉包裹空冷所得到的玻璃试样透过率较低且最高仅有25%㊂CsCl作为形核剂会使玻璃熔体在冷却过程中更容易析晶,盐浴冷却会使玻璃熔体迅速降温至其玻璃化转变温度以下,玻璃中的原子来不及重新排布,从而形成非晶态结构,而石棉包裹空冷的玻璃熔体在冷却过程中冷速缓慢,玻璃中的原子重新排布形成晶体,加大了对红外光的散射,导致其红外透过率大幅降低㊂因此,选用盐浴冷却方式制备(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl (x%=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃㊂2.2㊀红外透过光谱分析对(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl(x%=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的红外透过光谱进行测试,结果如图4所示㊂从图4中可以看出,(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl(x%=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的红外透第4期张宝东等:CsCl 对Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃结构与性能的影响1321㊀过范围为1~18μm,在4~15μm 波段处的透过率均超过了60%,具有良好的红外透过率㊂在Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃中加入CsCl 后,玻璃的长波截止波长没有明显的变化,玻璃的短波截止波长向短波方向移动,随着CsCl含量的增大,短波截止波长向长波方向移动㊂图4㊀(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的红外透过光谱Fig.4㊀Infrared transmission spectra of (100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)glass 材料的短波截止波长由禁带宽度决定,禁带宽度减小,短波截止波长增大,即短波截止波长向长波方向移动㊂在(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃中,随着CsCl 含量的增大,电负性较强的Cl 原子取代电负性较弱的Se 原子和Te 原子,禁带宽度增大,短波截止波长应向短波方向移动,然而在本实验中(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的短波截止波长先向短波方向移动,随着CsCl 含量的增大,短波截止波长又向长波方向移动,这可能与玻璃内部存在微量的纳米晶有关㊂2.3㊀DSC测试分析图5㊀(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的DSC 曲线Fig.5㊀DSC curves of (100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)glass 图5为(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的DSC 曲线,从图中可以看出,在Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃中加入CsCl 后,随着CsCl 含量的增加,玻璃的开始析晶温度T x 和析晶峰温度T p 逐渐减小㊂玻璃的热稳定性能可以通过开始析晶温度T x 和玻璃化转变温度T g 之间的差值ΔT 来衡量,ΔT 值越大,表明玻璃晶相与液相之间的界面能越大,玻璃的热稳定性能越好[8]㊂通常认为ΔT 大于100K 时,玻璃具有良好的热稳定性能㊂表1为(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的主要性能,从表中可以看出,该系列玻璃具有良好的热稳定性能,随着CsCl 含量的增加,玻璃的热稳定性能㊁密度以及显微维氏硬度都逐渐降低㊂这是由于加入CsCl 后,Cl -充当玻璃网络的非桥终端,破坏了玻璃网络结构,并替换了玻璃网络末端的部分原子,使得玻璃的网络结构连通性降低,平均键能减小,玻璃的热稳定性能降低,玻璃更容易析晶,同时,Cl -使玻璃的结构变得疏松,内部结构单元的堆积紧密程度降低,从而导致玻璃的密度和显微维氏硬度降低㊂表1㊀(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的主要性能Table 1㊀Main properties of (100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)glassSample T g /K T x /K T p /K ΔT /K ρ/(g㊃cm -3)H V /(107Pa)Ge 20Sb 10Se 65Te 5531674709143 4.7525139.9999Ge 20Sb 10Se 65Te 5-1CsCl534658678124 4.7496137.791322㊀ 玻璃材料与玻璃技术 专题(II)硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷续表Sample T g/K T x/K T p/KΔT/Kρ/(g㊃cm-3)H V/(107Pa) 98Ge20Sb10Se65Te5-2CsCl532643666111 4.7290135.5097Ge20Sb10Se65Te5-3CsCl531640660109 4.7170132.6896Ge20Sb10Se65Te5-4CsCl525632657107 4.7128126.77㊀㊀注:T g为玻璃化转变温度,T x为开始析晶温度,T p为析晶峰温度,ΔT为玻璃的热稳定性能,ρ为密度,H V为显微维氏硬度㊂2.4㊀热膨胀曲线分析线性热膨胀用ΔL/L0表示,其中ΔL是试样长度的变化,L0是基准温度(常选20ħ)时的试样长度㊂图6为(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl(x%=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的线性热膨胀曲线㊂通过热膨胀曲线可以得到玻璃的屈服点A t和软化点SP等特征值㊂屈服点也称为 变形点 ,在该温度下玻璃的膨胀量达到最大并开始收缩,软化点是玻璃在其自身质量下变形并表现为液体的温度[9]㊂屈服点和软化点对玻璃模压温度的选择具有重要的参考意义㊂表2为(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl(x%=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃屈服点A t和软化点SP特征值㊂从表中可以看出,在Ge20Sb10Se65Te5玻璃中加入CsCl后,随着CsCl含量的增加,玻璃的屈服点和软化点逐渐减小㊂图6㊀(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl(x%=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的线性热膨胀曲线Fig.6㊀Linear thermal expansion curves of(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl(x%=0%,1%,2%,3%,4%)glass表2㊀(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl(x%=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃屈服点A t和软化点SP特征值Table2㊀Yield point A t and softening point SP eigenvalues of(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl(x%=0%,1%,2%,3%,4%)glassSample A t/K SP/KGe20Sb10Se65Te5525.089544.49599Ge20Sb10Se65Te5-1CsCl497.287507.58198Ge20Sb10Se65Te5-2CsCl490.902499.75897Ge20Sb10Se65Te5-3CsCl490.140498.74296Ge20Sb10Se65Te5-4CsCl486.532494.451第4期张宝东等:CsCl 对Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃结构与性能的影响1323㊀㊀㊀平均线性膨胀系数α是指在温度T 1到T 2区间内,温度变化1K 时试样长度相对变化的平均值,可以通过线性热膨胀曲线计算得到,计算公式[10]为α=L 2-L 1T 2-T 1()/L 0=1L 0㊃ΔL ΔT 0(1)式中:L 1与L 2分别为T 1与T 2温度下玻璃试样的长度,L 0为基准温度(20ħ)下玻璃试样的长度㊂图7是根据式(1)计算得到的平均线性膨胀系数α㊂从图7中可以看出,在Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃中加入CsCl 后,玻璃的平均线性膨胀系数明显增大㊂2.5㊀拉曼光谱分析对(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的拉曼光谱进行分峰拟合,通过分解得到的每条谱线分别对应不同的结构单元,结果如图8所示㊂从图8中可以看出,(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的拉曼光谱分解后得到三条不同的谱线,谱线的波峰分别位于175㊁195和211cm -1处㊂175cm -1处的峰归属于(Se)2Ge Ge(Se)2结构中的Ge Ge 同极键振动[11-12],195cm -1处的峰与SbSe 3/2三角锥结构中的Sb Se 键振动有关[13-14],位于211cm -1处的峰主要是由于共边GeSe 4/2四面体中的Ge Se 键的振动[15]㊂对(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃拉曼光谱分解峰的积分面积相对于总的积分面积的比例进行计算,随着CsCl 含量的增加,Sb Se 键对应峰的积分面积所占比例分别为33.70740%㊁31.78869%㊁30.63188%㊁29.71634%㊁27.81220%,Sb Se 键的数量逐渐减少,说明在Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃中加入CsCl 后,Cl -破坏了SbSe 3/2三角锥结构,导致Sb Se 键的数量减少,而(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的网络交联程度主要取决于SbSe 3/2三角锥结构和GeSe 4/2四面体结构,SbSe 3/2三角锥结构的破坏导致玻璃结构堆积紧密程度降低,这可以解释为何在Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃中加入CsCl 后玻璃的密度和显微维氏硬度降低㊂图7㊀(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的平均线性膨胀系数Fig.7㊀Average linear expansion coefficient of(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)glass 图8㊀(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃的拉曼光谱分峰拟合图Fig.8㊀Raman spectra peak fitting diagram of(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl (x %=0%,1%,2%,3%,4%)glass 3㊀结㊀论1)通过盐浴冷却制备的(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃形状完好,表面光亮,是典型的非晶态结构,红外透过范围为1~18μm,在4~15μm 波段处的透过率均超过了60%,具有良好的红外透过性能㊂2)在Ge 20Sb 10Se 65Te 5玻璃中加入CsCl 后,随着CsCl 含量的增加,玻璃的密度㊁显微维氏硬度㊁开始析晶温度㊁析晶峰温度㊁屈服点和软化点都逐渐减小,热稳定性能降低㊂加入CsCl 后,玻璃的平均线性膨胀系数明显增大㊂3)(100-x )Ge 20Sb 10Se 65Te 5-x CsCl(x %=0%,1%,2%,3%,4%)玻璃在130~250cm -1的拉曼峰分别标1324㊀ 玻璃材料与玻璃技术 专题(II)硅酸盐通报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第43卷定为175cm-1处的Ge Ge键㊁195cm-1处的Sb Se键和211cm-1处的Ge Se键㊂随着CsCl含量的增加,Sb Se键的含量减少,玻璃结构堆积紧密程度降低,这也是玻璃密度和显微维氏硬度降低的原因㊂4)在Ge20Sb10Se65Te5玻璃中添加质量分数为1%,2%,3%,4%的CsCl后,玻璃仍然具有良好的光学性能和热力学性能,在制备过程中通过控制冷却速率有望成为制备(100-x)Ge20Sb10Se65Te5-x CsCl(x%=0%, 1%,2%,3%,4%)微晶玻璃的方法之一㊂参考文献[1]㊀戴世勋,陈惠广,李茂忠,等.硫系玻璃及其在红外光学系统中的应用[J].红外与激光工程,2012,41(4):847-852.DAI S X,CHEN H G,LI M Z,et al.Chalcogenide glasses and their infrared optical applications[J].Infrared and Laser Engineering,2012, 41(4):847-852(in Chinese).[2]㊀常芳娥,朱仲飞,许军锋,等.冷却方式对硫系玻璃性能的影响[J].功能材料,2015,46(17):17092-17096.CHANG F E,ZHU Z F,XU J F,et al.Influence of cooling methods on the properties of chalcogenide glass[J].Journal of Functional Materials, 2015,46(17):17092-17096(in Chinese).[3]㊀赵㊀华,金扬利,祖成奎,等.温度自适应红外热成像系统用硫系玻璃表面镀膜的研究进展[J].材料导报,2017,31(增刊2):72-76.ZHAO H,JIN Y L,ZU C K,et al.Research progress of chalcogenide glass surface coating for temperature adaptive infrared thermal 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玻璃材料的结构与性能关系研究引言玻璃是一种非晶态材料，具有广泛的应用领域，如建筑、汽车、电子等。

然而，要了解玻璃的性能，我们需要深入研究其结构与性能之间的关系。

本文将讨论玻璃的结构特点、制备方法以及与性能相关的因素。

一、玻璃的结构特点玻璃的结构特点是由其非晶态决定的。

与晶体不同，玻璃没有周期性结构，其原子和分子排列无序。

这种无序性使得玻璃具有独特的性质，如透明、脆性和良好的热稳定性。

二、玻璃的制备方法玻璃可以通过多种方法制备，其中最常见的是熔融法和溶胶-凝胶法。

熔融法是将玻璃的原料加热至高温，使其熔化后迅速冷却，形成非晶态结构。

溶胶-凝胶法则是通过溶解玻璃的前驱体溶液，然后通过控制凝胶过程使其形成固体，最终得到玻璃材料。

三、玻璃结构与物理性能的关系玻璃的结构对其物理性能有着重要影响。

首先是硬度和脆性，玻璃的非晶态结构使其具有高硬度和脆性，容易发生破碎。

然而，通过控制玻璃的成分和制备工艺，可以改变其结构，从而改善其力学性能，如增加其韧性。

其次是光学性能，玻璃的无序结构决定了其对光的传播具有一定的特性。

例如，玻璃的透明性主要取决于其中存在的杂质和缺陷。

通过调控玻璃结构，可以降低杂质含量，提高其透明性。

此外，玻璃的热性能也与其结构密切相关。

非晶态结构使得玻璃具有较低的热导率，较高的抗热冲击性能。

同时，通过引入特定的元素或控制制备工艺，还可以实现特定的热膨胀性，从而适应不同的应用需求。

四、玻璃结构调控方法与应用为了满足不同领域对玻璃性能的需求，研究人员提出了许多调控玻璃结构的方法。

其中包括改变成分比例、引入微量杂质和精确控制制备工艺等。

通过这些方法，可以调控玻璃的硬度、热膨胀性和光学性能，以适应不同的应用需求。

以玻璃纤维为例，通过增加SiO2含量和优化纤维的拉伸制备工艺，可以大幅提高纤维的强度和韧性，从而广泛应用于建筑和航天领域。

而工业玻璃熔体的调控则更多是通过准确控制成分和制备工艺，以获得特定的热膨胀性和光学特性，例如光学玻璃和光纤等。

高硼硅玻璃材料结构及性能分析发布时间：2021-12-10T07:35:13.642Z 来源：《科学与技术》2021年第26期作者：王宏彦[导读] 在当前的社会生活中，高硼硅玻璃被广泛应用于实验室、生物王宏彦山东乐和家日用品有限公司山东济宁 272100摘要：在当前的社会生活中，高硼硅玻璃被广泛应用于实验室、生物制药、化工生产等领域，并为生产研究提供了极大的支持，本文介绍了高硼硅玻璃产品的常见成型方式、材料的结构测试与性能表征，以期在明确高硼硅玻璃材料结构性能的基础上，为其制定针对性的质量提升方式，希望能够给读者带来启发。

关键词：高硼硅玻璃；材料结构；材料性能引言：高硼硅玻璃作为一种具有良好光学、热学性能的特种玻璃，在众多领域发挥了极为重要的作用，在实际使用过程中，不同成型方式生产的高硼硅玻璃产品样式也较为多样，现阶段，为保证不同高硼硅玻璃产品质量切实满足社会生产的需要，对其材料结构与性能表征加以测试，成为了一项极为必要的工作。

一、高硼硅玻璃产品的常见成型方式在当前的高硼硅产品生产过程中，较为常见的产品成型方式包括机吹、人吹、拔管、二次加工等，不同工艺的产品生产流程存在一定的差异，具体来说，首先，机吹产品的生产流程为生产原料—生产配料—物料熔化—溶液吹制—爆口—捏嘴—印标—退火；其次，人吹产品的生产流程为玻璃原料—玻璃配料—物料熔化—挑蘸料—滚铃—吹小泡—人工吹制—爆口—捏嘴—印标—退火；再次，拔管产品的生产流程为玻璃原料—玻璃配料—物料熔化—成型—截管/退火—再切—烤口—包装；最后，二次加工产品生产主要是指将玻璃半成品进行二次加热，使其局部变形、软化，然后通过对其进行切割、钻孔等操作的方式，使玻璃产品能够满足产品生产的需要[1]。

二、高硼硅玻璃材料结构测试与性能表征（一）傅里叶变换红外光谱（FTIR）测试在当前的物质世界中，物质内部分子处于不停振动状态当中，各种简正振动的叠加汇聚成了物质中分子的总振动，在当前的高硼硅玻璃材料结构测试的过程中，由于简正振动存在红外活性，因此，可以应用一束波长连续的红外光透过高硼硅玻璃材料的样品，然后通过分析红外光的吸收情况，对其物质内部结构进行科学的判定。