BaO含量對ZnO-B2O3-Bi2O3-BaO系玻璃結(jié)構(gòu)及性能的影響

ZnO-B2O3-Bi2O3系玻璃具有低封接溫度、高封接強(qiáng)度和流動性、熱膨脹系數(shù)適當(dāng)、電絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，在光電子、信息、通訊等高技術(shù)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前低熔點(diǎn)無鉛玻璃焊料研究的熱點(diǎn)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(shù)手段研究了不同的BaO含量（0~20%）對該體系玻璃結(jié)構(gòu)、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(xué)試劑，具體實驗配方如表1所示。表1ZnO-B2O3-Bi2O3-BaO系玻璃的化學(xué)組成將熔融后水淬制得的基礎(chǔ)玻璃樣品研磨，經(jīng)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(jìn)行差式掃描量熱法分析（DSC），以得到樣品的特征溫度（玻璃轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)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(zhì)量損失法研究玻璃的耐水性。結(jié)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(nèi)，熔制溫度為880℃即可制得均質(zhì)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(zhuǎn)化為［BO3］三角體，玻璃網(wǎng)絡(luò)體被破壞，結(jié)構(gòu)變疏松，導(dǎo)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(zhì)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(jìn)入玻璃網(wǎng)絡(luò)間隙中，削弱了玻璃結(jié)構(gòu)中既有的橋氧振動，玻璃網(wǎng)絡(luò)體被破壞，結(jié)構(gòu)變疏松，化學(xué)穩(wěn)定性逐漸變差，這與FT-IR、Raman和熱膨脹系數(shù)的分析結(jié)果相符。通過一系列的實驗，結(jié)果表明：（1）該體系在880℃保溫2h可以制得均質(zhì)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(qiáng)，熱膨脹系數(shù)增加。（2）BaO含量的增加導(dǎo)致玻璃體中［BO4］四面體轉(zhuǎn)化為［BO3］三角體，［BiO6］八面體轉(zhuǎn)化為［BiO3］三角體，玻璃網(wǎng)絡(luò)體被破壞，結(jié)構(gòu)逐漸變疏松。玻璃密度由6.215