二氧化硅纳米颗粒和纳米玻璃的制备与表征

摘要

二氧化硅玻璃具有很高的强度、硬度、透明度，是一种应用广泛且廉价的材料，但其脆性限制了其更为广泛应用。纳米玻璃是一种新型玻璃，由纳米尺度玻璃区域和含有很多自由体积的玻璃/玻璃界面构成，其中，纳米尺度玻璃区域具有高强度，玻璃/玻璃界面具有良好韧性。纳米玻璃的特殊结构将赋予其韧性或其他优异性能。二氧化硅纳米玻璃可能解决二氧化硅玻璃的脆性问题，并可能在很多领域有重要应用，因此，二氧化硅纳米玻璃的制备和表征具有重要意义。　　制备二氧化硅纳米玻璃的前提是制备分散、细小、球形的非晶二氧化硅纳米颗粒。通过超高真空高压压制法，使二氧化硅纳米颗粒机械烧结致密化，可制得二氧化硅纳米玻璃。本论文主要研究了二氧化硅纳米颗粒制备的方法，分析了通过二氧化硅纳米颗粒致密化制备二氧化硅纳米玻璃的过程和成果。主要内容包括：　　1、采用溶胶-凝胶法制备尺寸细小的二氧化硅纳米颗粒。采用超声混合的溶胶-凝胶法，以正硅酸四乙酯(TEOS)为硅源，氨水为催化剂，乙醇为溶剂，PEG1000为表面活性剂，煅烧制得分散、细小的非晶二氧化硅纳米颗粒。研究混合方式、陈化时间与陈化温度、TEOS添加量、氨水添加量、去离子水添加量、煅烧温度、表面活性剂的种类与添加量这些实验参数对二氧化硅纳米颗粒分散性、形状、尺寸的影响，并对上述参数进行了优化。优化的最佳实验条件为：6.3 mL TEOS，1 mL氨水，1.3 mL去离子水，添加0.025 g PEG1000，超声混合，60℃陈化3 d，800℃ 煅烧 10 h。所得二氧化硅纳米颗粒完全分散、等轴形状，尺寸分布 4-18 nm，平均尺寸为9 nm。　　2、采用改进的溶胶-凝胶法制备球形二氧化硅非晶纳米颗粒。以缓慢水解催化剂代替氨水作为催化剂，正硅酸四乙酯为硅源，去离子水为溶剂，煅烧制得分散、细小、球形的非晶二氧化硅纳米颗粒。研究缓慢水解催化剂的种类和加入量对制备非晶二氧化硅纳米颗粒的分散性、形状、尺寸的影响。优化后加入5mL 四乙基氢氧化铵作为缓慢水解催化剂，制得分散性良好的二氧化硅非晶纳米颗粒，形状为球形，尺寸范围为7-20nm，平均颗粒尺寸为13 nm。可通过此分散、细小、球形的二氧化硅纳米颗粒制备二氧化硅纳米玻璃。　　3、采用超高真空高压压制法，使二氧化硅纳米颗粒机械烧结致密化，制备二氧化硅纳米玻璃。以分散性良好、平均颗粒尺寸为13 nm、球形二氧化硅非晶纳米颗粒为原料，压机腔体真空度为10-7 Pa，最高压强为2.5 GPa，研究不同压强及不同压制方案对制备二氧化硅纳米玻璃的影响。优化制备二氧化硅纳米玻璃的实验方案：一是通过反复加压压制二氧化硅纳米玻璃，在最高压强2.5 GPa下保压55 min，制得相对密度为96%有裂纹的二氧化硅纳米玻璃。二是通过缓慢加压、缓慢减压并持续保压压制二氧化硅纳米玻璃，在最高压强2.5 GPa下保压60 min，制得了相对密度为90%无裂纹的二氧化硅纳米玻璃。结果表明，压强和压制方案对二氧化硅纳米玻璃的相对密度有很大影响。通过测试，相对密度为96%的二氧化硅纳米玻璃的显微硬度为6.71 GPa，表现出良好的韧性。

目录

第一个书签之前

Abstract

第一章 绪论

1.1 纳米材料概述

1.2 非晶态材料概述

1.3 纳米玻璃概述

1.4 二氧化硅概述

1.4.1 二氧化硅的结构

1.4.2 二氧化硅纳米颗粒的制备

1.4.3 二氧化硅纳米颗粒的特性

1.5 本论文选题依据和研究内容

1.5.1 选题依据

1.5.2 研究内容

1.5.3 研究意义

参考文献

第二章 纳米颗粒和纳米玻璃的表征技术

2.1 X射线衍射(XRD)

2.2 傅立叶变换红外光谱(FT-IR)

2.3 扫描电子显微镜(SEM)

2.4 透射电子显微镜(TEM)

2.5 能谱分析(EDS)

2.6 原子发射光谱(AES)

2.7 比表面积测试法(BET)

2.8 阿基米德排水法

2.9 硬度测试

参考文献

第三章 经典溶胶-凝胶法制备二氧化硅纳米颗粒

3.1 概述

3.2 实验准备

3.3 实验原理

3.4 实验过程

3.5 二氧化硅纳米颗粒的表征与分析

3.5.1 混合方式对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

3.5.2 陈化时间与陈化温度对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

3.5.3 正硅酸四乙酯(TEOS)添加量对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

3.5.4 氨水添加量对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

3.5.5 去离子水添加量对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

3.5.6 煅烧温度对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

3.5.7 表面活性剂种类和加入量对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

3.6 最佳实验条件制备二氧化硅纳米颗粒的表征

3.7 分散、细小、等轴的二氧化硅纳米颗粒形成机理

3.8 小结

参考文献

第四章 缓慢水解催化剂代替氨水制备二氧化硅纳米颗粒

4.1 概述

4.2 实验原理

4.3 实验准备

4.4 实验过程

4.5 XRD表征

4.6 FT-IR表征

4.7 TEM表征

4.7.1 N, N-二甲基甲酰胺加入量对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

4.7.2 六次甲基四胺加入量对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

4.7.3 四乙基氢氧化铵加入量对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

4.7.4 缓慢水解催化剂种类和加入量对纳米颗粒分散性、尺寸、形状的影响

4.8 EDS表征

4.9 ICP-AES表征

4.10 BET表征

4.11 分散、细小、球形的二氧化硅纳米颗粒形成机理

4.12 小结

参考文献

第五章 超高真空高压制备二氧化硅纳米玻璃

5.1 概述

5.2 实验原理

5.3 实验试剂及设备

5.4 实验过程

5.5 反复加压机械烧结二氧化硅纳米玻璃

5.5.1 XRD表征

5.5.2 TEM表征

5.6 缓慢加压、缓慢减压并持续保压机械烧结二氧化硅纳米玻璃

5.6.1 XRD表征

5.6.2 TEM表征

5.7 二氧化硅纳米玻璃机械烧结致密化机理

5.8 力学性能

5.9 小结

参考文献

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

在学期间的研究成果

致 谢