硅酸铋粉体制备和熔体性能研究

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硅酸铋(BSO)及含铋(Bi)氧化物系统具有一系列独特的声光、光电、介电等性能,可以用来制备发光材料、闪烁材料、电介质材料等高新材料,在材料、化工、国防、工业等领域有着广泛的应用。目前对于该系统的研究主要集中在晶体生长、性能改善、粉体制备等方面,而对于该系统在熔融及冷却过程中熔体结构和性质的研究却相对较少。探明硅酸铋熔体的结构和性质对了解硅酸铋晶体生长机理以及改进和提高硅酸铋晶体生长速度和质量无疑具有重要意义。而硅酸铋粉体是制备适合熔体的先决条件。因此,研究硅酸铋粉体制备对掌握硅酸铋熔体结构和性质有着重要的意义。本文主要研究了硅酸铋粉体制备和熔体性能。通过固相法和熔盐法分别制备了Bi4Si3O12粉体和Bi2SiO5粉体,研究了相关的工艺参数,并探讨了形成机理。研究了熔体密度、表面张力等熔体性能以及熔体结构。在以下几方面获得了创造性成果:(1)采用固相法制备了较纯的Bi4Si3O12粉体。以氧化铋和二氧化硅为原料,在乙醇中球磨5h,在830℃煅烧3h制得较纯Bi4Si3O12粉体。在均匀实验中因素主次关系可知,煅烧温度对杂相数目的影响显著,其余因素为不显著。(2)采用NaCl-KCl熔盐制备了较纯的Bi4Si3O12粉体,颗粒微观形貌主要以颗粒状与片状为主,同时利用NaCl-Na2SO4熔盐制备了纯相Bi4Si3O12粉体,颗粒微观形貌主要为多面体。在NaCl-KCl熔盐系统中,以氧化铋和二氧化硅为原料,盐含量为40wt%,Bi2O3过量5wt%,在780℃煅烧4h制得较纯Bi4Si3O12粉体。Bi4Si3O12粉体的激发光谱和发射光谱分别位于266nm和457.6nm,和晶体材料相比,激发光谱和发射光谱显示蓝移。采用NaCl-Na2SO4系统用熔盐法制备Bi4Si3O12粉体时,以氧化铋和二氧化硅为原料,盐含量40wt%,在850℃煅烧3h制得纯相Bi4Si3O12粉体。Bi4Si3O12的禁带宽度为2.44eV,Bi4Si3O12粉体的激发光谱和发射光谱分别位于270nm和462nm,和晶体材料相比,激发光谱和发射光谱显示蓝移。通过比较两种熔盐系统中制备Bi4Si3O12粉体的表观活化能可知,在NaCl-Na2SO4熔盐体系下较易形成Bi4Si3O12粉体。通过比较固相法和熔盐法制备Bi4Si3O12粉体的纯度和微观形貌可知,熔盐法更易制得纯相Bi4Si3O12粉体,颗粒的形状和尺寸更容易控制。(3)采用NaCl-KCl熔盐和NaCl-Na2SO4熔盐制备了较纯的Bi2SiO5粉体,颗粒形貌为片状。在NaCl-KCl熔盐体系下,以氧化铋和二氧化硅为原料,盐含量30wt%,690℃下煅烧0.5h制得较纯的Bi2SiO5粉体。SEM观察表明Bi2SiO5粉体分散性较好,片状长度大约为1-4μm。采用NaCl-Na2SO4系统用熔盐法制备Bi2SiO5粉体时,以氧化铋和二氧化硅为原料,盐含量40wt%,625℃下煅烧1h制得较纯的Bi2SiO5粉体。通过比较两种熔盐系统中制备Bi2SiO5粉体的表观活化能可知,在NaCl-Na2SO4熔盐体系下较易形成Bi2SiO5粉体。(4)采用高温热台配合偏光显微镜对Bi12SiO20多晶粉体的熔融过程进行原位实时观察。熔融过程大致可分为以下三个阶段:多晶粉体熔化阶段、分相阶段(亚稳分相阶段和不稳定分相阶段),均一性阶段。在亚稳分相阶段,熔体中广泛分布着大量黑色斑点状结构,其结构随着熔体温度升高会越来越明显;在不稳定分相阶段,随着温度的变化熔体中主要存在两类不同的结构,一类为环状互锁结构,另一类为蠕虫状的滴状结构,且在分相过程中熔体中两相存在着明显的随温度运动的分界线。
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