BaO含量對ZnO-B2O3-Bi2O3-BaO系玻璃結構及性能的影響

ZnO-B2O3-Bi2O3系玻璃具有低封接溫度、高封接強度和流動性、熱膨脹系數(shù)適當、電絕緣性和化學穩(wěn)定性良好等優(yōu)點，在光電子、信息、通訊等高技術領域有良好的應用前景，成為當前低熔點無鉛玻璃焊料研究的熱點之一。本文采用熔融法制備了ZnO-B2O3-Bi2O3-BaO系玻璃，利用傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）、拉曼光譜、X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、差示掃描量熱法和熱膨脹儀等技術手段研究了不同的BaO含量（0~20%）對該體系玻璃結構、熱性能及耐水性等的影響。實驗所用原料為ZnO、H3BO3、Bi2O3、BaCO3，均為分析純化學試劑，具體實驗配方如表1所示。表1ZnO-B2O3-Bi2O3-BaO系玻璃的化學組成將熔融后水淬制得的基礎玻璃樣品研磨，經過100~200目分樣篩過篩（粒徑75~150um）后，利用JupiterSTA449C型綜合熱分析儀對樣品進行差式掃描量熱法分析（DSC），以得到樣品的特征溫度（玻璃轉變溫度Tg，玻璃軟化溫度Tf，初始晶化溫度Tx）。將在不銹鋼模具中退火得到的玻璃塊體拋光后再切割成4mm×4mm×25mm的條狀，利用DIL402PC/2/2型熱膨脹儀測試試樣的熱膨脹系數(shù)（TCE）。用X'Pertpro型X射線分析儀分析玻璃的物相組成。用TM-1000型掃描電子顯微鏡觀察玻璃的表觀形貌。采用Nicolet-5700傅里葉紅外吸收光譜儀進行紅外光譜測試，用KBr壓片法對玻璃粉末試樣在波長400~2000cm-1之間做FTIR測試。采用InVia型顯微激光拉曼光譜儀進行Raman測試。采用DX-120G型陶瓷體積密度測試儀測試試樣的密度。采用質量損失法研究玻璃的耐水性。結果見下列圖表。圖1樣品B0~B20的XRD圖譜圖2樣品B0~B20斷面的SEM照片從圖2中可以看出，所有樣品斷面均勻致密，幾乎無孔洞。綜上可知，ZnO-B2O3-Bi2O3-BaO系玻璃的玻璃化程度良好，在所研究組成范圍內，熔制溫度為880℃即可制得均質玻璃。

圖3樣品B0~B20的FT-IR吸收光譜圖4樣品B0~B20的Raman吸收光譜圖5玻璃樣品B0~B20的熱膨脹系數(shù)曲線從上圖可知：隨著BaO含量的增加，玻璃體中［BiO3］三角體的比例逐漸增加，［BO4］四面體轉化為［BO3］三角體，玻璃網(wǎng)絡體被破壞，結構變疏松，導致玻璃熱膨脹系數(shù)增加。圖6玻璃樣品的密度以及在去離子水中90℃保溫48h的質量損失率由圖6可知：隨著BaO含量的增加，玻璃的密度從6.215g/cm3降低到6.086g/cm3，表明玻璃耐水性變差，由于BaO的加入會帶入“游離氧”，這些游離氧減少了玻璃體中橋氧鍵的數(shù)量，Ba2+本身會進入玻璃網(wǎng)絡間隙中，削弱了玻璃結構中既有的橋氧振動，玻璃網(wǎng)絡體被破壞，結構變疏松，化學穩(wěn)定性逐漸變差，這與FT-IR、Raman和熱膨脹系數(shù)的分析結果相符。通過一系列的實驗，結果表明：（1）該體系在880℃保溫2h可以制得均質玻璃，隨著BaO含量的增加，玻璃特征溫度（Tg、Tf和Tx）逐漸升高，玻璃的熱穩(wěn)定性增強，熱膨脹系數(shù)增加。（2）BaO含量的增加導致玻璃體中［BO4］四面體轉化為［BO3］三角體，［BiO6］八面體轉化為［BiO3］三角體，玻璃網(wǎng)絡體被破壞，結構逐漸變疏松。玻璃密度由6.215