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非晶SiO2纳米颗粒与纳米玻璃的制备、结构及性能研究
作
者：
刘亚杰
学
位
授
予
单
位：
摘
要：
SiO2玻璃具有独特的光学性能、良好的热稳定性和化学稳定性,是重要的基础性材料。但是SiO2玻璃属于脆性材料,限制了更广泛的应用。纳米玻璃结构是由纳米尺度玻璃区域和含有多余自由体积的玻璃/玻璃界面构成,多余自由体积提供高迁移扩散活性原子,为SiO2玻璃发生塑性变形提供可动的结构缺陷,因此SiO2纳米玻璃结构有望解决SiO2玻璃的脆性问题。 SiO2纳米玻璃通过分散的非晶SiO2纳米颗粒高压烧结制备,不同颗粒尺寸的非晶SiO2纳米颗粒可改变纳米玻璃中玻璃/玻璃界面体积分数,影响纳米玻璃的结构和性能。虽然制备较小颗粒尺寸的非晶SiO2纳米颗粒已有研究,但不同颗粒尺寸的非晶SiO2纳米颗粒的制备缺少研究。低压强制备SiO2纳米玻璃的断裂韧性和硬度未发现明显提高,主要是因为烧结不完全,因此采用更高压强和温度制备烧结完全的SiO2纳米玻璃,其力学性能究竟如何,目前未被探索过。通过改变纳米玻璃中玻璃/玻璃界面的体积分数（应用不同颗粒尺寸的非晶SiO2纳米颗粒为原料）,如何影响SiO2纳米玻璃的结构和力学性能,还未得到完全研究。 本论文制备分散、不同尺寸非晶SiO2纳米颗粒,并对制备的不同颗粒尺寸的SiO2纳米颗粒进行结构表征和分析,揭示不同尺寸的非晶SiO2纳米颗粒之间的结构差异。通过高压烧结不同尺寸的非晶SiO2纳米颗粒,制备烧结完全的SiO2纳米玻璃,揭示纳米玻璃的结构,通过直接压痕法测量其硬度及断裂韧性,建立结构和硬度及断裂韧性之间的关系。主要研究内容和结论如下: （1）采用溶胶-凝胶法制备非晶SiO2纳米颗粒,通过改变氨水的浓度,成功制备平均颗粒尺寸分别为21 nm、32 nm、52 nm和95 nm的分散的非晶SiO2纳米颗粒。反应体系引入分散剂,制备平均颗粒尺寸为4 nm的非晶SiO2纳米颗粒。随着非晶SiO2纳米颗粒尺寸的减小,四元环和三元环的相对含量增加,表面原子的活性越高,颗粒更容易和空气中水分子发生反应,生成Si-OH。 （2）分别以4 nm、21 nm、52 nm和95 nm的非晶SiO2纳米颗粒为原料,通过高压烧结（5.5 GPa,150°C）制备SiO2纳米玻璃,随着非晶SiO2纳米颗粒的平均颗粒尺寸减小,制备的SiO2纳米玻璃中四元环和三元环的含量减少,Si-O-Si键的平均角度变大。SiO2纳米玻璃的断裂韧性值分别为1.03 MPa·m1/2、1.13MPa·m1/2、1.31 MPa·m1/2、1.53 MPa·m1/2,即随着SiO2纳米玻璃中小元环含量的减少,断裂韧性值逐渐增大。 （3）平均颗粒尺寸52 nm的非晶SiO2颗粒为原料,热压烧结（6.0 GPa、6.5GPa,温度均为150°C）制备SiO2纳米玻璃,SiO2纳米玻璃均发生部分晶化。SiO2纳米玻璃的维氏硬度值分别为9.3 GPa、9.8 GPa,断裂韧性值分别为0.94MPa·m1/2、1.05 MPa·m1/2,热压烧结（6.5 GPa,150°C）制备SiO2纳米玻璃的断裂韧性值约是相同成分石英玻璃(0.81 MPa·m1/2)的1.3倍。
关
键
词：
非晶SiO2纳米颗粒; 高压烧结; SiO2纳米玻璃; 断裂韧性
学
位
年
度：
2025
学
位
类
型：
硕士
学
科
专
业：
材料科学与工程·材料学
导
师：
中
图
分
类
号：
TQ171.1[基础理论];TB383[特种结构材料⑨]
学
科
分
类
号：
080501[材料学];081702[化学工艺];080502[材料物理与化学];080506[纳米材料技术];080902[微电子学及固体电子学]
D
O
I：
10.27204/d.cnki.glzhu.2025.001007
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