延性二氧化硅纳米玻璃的制备与结构表征

Brittleness is a fatal weakness of compound glasses and limits their wider applications. The purpose of this project is to develop ductile silica nanoglasses. Glasses consisting of nanometer-sized glassy regions and glass/glass interfaces with high free volume is called nanoglasses. Reported studies showed that silica glasses can deform plastically under compression stress; nanometer-sized silica glasses exhibit plasticity under tensile stress. Glass/glass interfaces with high free volume in nanogalsses can endure silica glasses with free volume and glass/glass interface atoms of high mobility required for plastic deformation under tensile stress, which will solve the brittleness problem of silica glasses. In this project, the fabrication techniques of silica nanoglasses will be developed. Silica nanoglasses will be prepared. The microstructure and atomic structures of silica nanoglasses will be analyzed. The thermal stability and room temperature plasticity of silica nanoglasses will be investigated. Silica nanoglasses will exhibit new structural and functional properties owing to their microstructure and atomic structures different from those of crystalline and glassy materials. The study of silica nanoglasses will develop ductile silica nanoglasses, solve the brittleness problem of silica glasses, and broaden applications of silica glasses. Research on nanoglasses will provide a new idea, new priciple, and new method in R&D of new materials and exploit a new field in materials research. It is of scientific and technological significance.

脆性是化合物玻璃的致命弱点，限制了其更广泛的应用。本项目旨在开发延性二氧化硅纳米玻璃。纳米玻璃是指由纳米尺度的玻璃区域和存在大量自由体积的玻璃/玻璃界面构成的新型玻璃。已有研究发现，二氧化硅玻璃具有压缩塑性，纳米尺度二氧化硅玻璃还显示拉伸塑性。纳米玻璃中的具有大量自由体积的玻璃/玻璃界面可赋予二氧化硅玻璃发生拉伸塑性变形所需的自由体积和高迁移扩散活性原子，可望解决脆性问题。本项目开发二氧化硅纳米玻璃制备技术，制备二氧化硅纳米玻璃，分析其微结构和原子排列结构，研究其热稳定性、常温塑性。由于不同于晶态和玻璃态的结构，二氧化硅玻璃可望具有新的结构和功能特性。二氧化硅纳米玻璃的研究，将解决脆性问题，开发出延性二氧化硅玻璃，拓宽二氧化硅玻璃的应用范围，对解决化合物玻璃脆性问题有指导意义。纳米玻璃研究将为新材料研究开发提供新思路、新原理、新方法，将开拓材料科学研究新领域，具有重要的科学和技术意义。

根据项目的研究目标和研究内容，我们主要研究了二氧化硅非晶纳米颗粒的多种制备方法，制备分散、球形、细小、高纯二氧化硅非晶纳米颗粒，在超高真空高压下压制制得了二氧化硅纳米玻璃，对二氧化硅纳米玻璃的结构进行了分析表征。本项目探索了制备二氧化硅非晶纳米颗粒的多种方法。采用溶胶凝胶法，利用正硅酸四乙酯的水解缩合反应原理，系统摸索了实验条件参数、添加表面活性剂及实验条件对二氧化硅非晶纳米颗粒的尺寸、形貌、分散性等的影响，优化实验条件参数，制备了细小二氧化硅玻璃纳米颗粒，平均粒径9nm，部分颗粒形状不规则，有一定团聚。选择缓慢水解的催化剂，使二氧化硅非晶纳米颗粒能均匀形核，以改善纳米颗粒的分散性和形貌。摸索了缓慢水解的溶胶-凝胶法实验条件，摸索优化了制备条件，制备的二氧化硅纳米颗粒，平均粒径在13nm至19nm之间，颗粒基本分散，形状近球形。压制制备二氧化硅纳米玻璃时，对颗粒的分散性和流动性要求较高，以缓慢水解溶胶-凝胶法制备的分散性和球形度最好、平均粒径19 nm的二氧化硅纳米颗粒为原料，压制制备了二氧化硅纳米玻璃。研究了压制条件对所制二氧化硅纳米玻璃的影响，对压制获得的二氧化硅纳米玻璃进行了表征。成分分析表明，制得的二氧化硅纳米玻璃纯度很高，达99.99%。结构分析表明，机械压制制备的纳米玻璃仍为非晶态。致密度分析表明，500 MPa压制的二氧化硅纳米玻璃致密度为60%，在10-7 Pa真空中、以2 GPa压制2分钟制得的二氧化硅纳米玻璃致密度为76%。在2 GPa保压30分钟制得的二氧化硅纳米玻璃致密度达90%。微结构分析表明，致密度90%的二氧化硅纳米玻璃中纳米尺寸的玻璃区域呈阵列排布，说明高压压制致密化过程中玻璃颗粒发生有序排列，颗粒发生变形，填充颗粒间间隙，颗粒与颗粒接合后形成玻璃/玻璃界面，玻璃/玻璃因原子密度低，自由体积多，在透射电镜下显示为白亮带，玻璃区域尺寸与原料纳米颗粒尺寸一致，在十几纳米尺度，说明机械致密化过程中颗粒没有长大。