P2O5对Na2O-Al2O3-SiO2系统玻璃结构和性能的影响

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含P2O5的铝硅酸盐玻璃在高技术玻璃和核废物固化方面有着非常重要的应用。然而高含量的P2O5对Na2O-Al2O3-SiO2系统玻璃结构的影响还有待研究。此外,在核废物固化方面,高辐射性核废物有着非常复杂的组成,直接研究难度很大,因此我们可以先设计出设置在霞石形成区域且简化的Na2O-Al2O3-SiO2系统玻璃,以此作为模拟的HLW玻璃,并且研究P2O5对该系统玻璃析晶和分相行为的影响。在本论文中,通过P2O5分别替代25Na2O-25Al2O3-50SiO2组成玻璃中的SiO2和Al2O3,采用MAS NMR或Raman表征了所获样品的微观结构,从而研究高含量P2O5对Na2O-Al2O3-SiO2系统玻璃结构的影响规律。同时采用等温热处理的方法对淬冷玻璃样品进行了热处理,利用XRD和SEM研究了热处理样品的不混溶性能,从而阐明了P2O5对Na2O-Al2O3-SiO2系统玻璃析晶与分相的影响规律。研究结果表明:(1)在25Na2O-25Al2O3-(50-x)SiO2-xP2O5系统中,随着P2O5的加入,Na2O-Al2O3-SiO2系统玻璃中的硅酸盐结构聚合度降低,磷酸盐结构聚合度增大,而玻璃整体网络聚合程度总体降低。当P2O5加入量达到35 mol%时,玻璃整体网络聚合程度才有所增加。而且玻璃整体网络聚合程度的变化与玻璃化转变温度Tg的变化相一致。在未加入P2O5时,Na+全部用于电价平衡Al(OSi)4和NaAlO2结构单元。随着P2O5的加入,Al(OSi)4被破坏,Na+被释放,并且充当了网络改变体的角色。在硅酸盐结构中,被释放的Na+通过提供游离氧破坏其结构,而在磷酸盐结构中,被释放的Na+主要起到了平衡[PO4]3-四面体电价的作用。随着P2O5的加入,Al的配位数与配位多面体也发生了相应的变化,配位数由原来的AlIV转变为AlIV和少量AlV,而配位多面体由原来的Al(OSi)4转变为Al(OP)4和少量Al(OP)5。而且随着P2O5的加入,玻璃中的NaAlO2结构单元没有被破坏。(2)在25Na2O-25Al2O3-(50-x)SiO2-xP2O5系统中,随着P2O5的加入,霞石析晶被抑制,这主要是通过化学组成的改变以及P2O5诱导分相的能力而实现的。(3)在25Na2O-(25-x)Al2O3-50SiO2-xP2O5系统中,随着P2O5的加入,Na2O-Al2O3-SiO2系统玻璃中的硅酸盐结构聚合度降低,磷酸盐结构聚合度增大,而玻璃整体网络聚合程度总体降低,这与玻璃化转变温度Tg的变化相一致。在未加入P2O5时,Na+全部用于电价平衡Al(OSi)4和NaAlO2结构单元。随着P2O5的加入,Na2O-Al2O3-SiO2系统玻璃中的Na+被释放,并且充当了网络改变体的角色,在硅酸盐结构中,被释放的Na+通过提供游离氧破坏其结构,而在磷酸盐结构中,被释放的Na+主要起到了平衡[PO4]3-四面体电价的作用。然而无法得到关于Al的配位数与配位多面体的相关信息,这需要通过27Al MAS NMR测试进一步判断。结构中的NaAlO2结构单元是否被破坏,也需要通过31P MAS NMR测试进一步判断。(4)在25Na2O-(25-x)Al2O3-50SiO2-xP2O5系统中,随着P2O5的不断加入且Al/P<1时,该系统玻璃发生了稳定分相,分相机理也由成核—生长转变为亚稳分解,而且该分相现象与“双Tg”现象相对应。而热处理之后,分相与析晶共存的现象表明了分相对析晶具有促进作用。而且随着P2O5的加入,霞石的形成被抑制,这主要是通过化学组成的改变以及P2O5诱导分相的能力而实现的。
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