块状掺镱硅凝胶制备及其烧结性能的研究

发布时间：2020-11-19 18:24

　　 为制备高掺杂的掺镱光纤预制棒纤芯材料即掺镱石英玻璃,本文采用溶胶凝胶工艺制备光纤预制棒用掺镱硅凝胶。侧重研究硅源种类、溶剂种类及用量、干燥控制剂及催化剂的使用对凝胶的成型性的影响,同时对凝胶的烧结的过程及影响因素进行了分析。通过扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、紫外可见分光光度计(UV-Vis)、热重分析仪(TG)等方法对干胶的形貌、物相、元素含量及分布、成分、光吸收及投射比、烧结性能进行了测试。本实验为制备出无开裂块状干凝胶,分别通过水、醇溶剂体系及碳酸丙烯酯(PC)、四乙二醇二甲醚(TG)溶剂体系进行了干凝胶的制备。以凝胶时间、防开裂性能为主要指标,对凝胶制备工艺进行了优化。确定了最佳原料配比为TEOS:C_2H_5OH:H_2O:DMF:HCl:NH_3=1:4:8:1:0.005:0.01,最佳水解温度为60℃,水解时间为4h。将凝胶在不同模具中60℃保温15d,得到最佳模具材料为聚丙烯。从60℃分阶段缓慢升温至100℃,优化了凝胶干燥制度,并在最后干燥步骤通过微波辅助干燥,大大缩短干燥时间。最终,制备了完整块状无开裂透明硅凝胶,其中采用正硅酸乙酯以水、醇体系制备的干凝胶防开裂性能最佳。通过热分析结合实际实验,确定了干凝胶最佳烧结工艺,采用常压烧结法制备出完整块状的透明石英玻璃。并通过SEM、XRD、FT-IR、UV-Vis、BET等方法对样品进行了测试。SEM测试表明经烧结后,样品表面更加光滑平整,小颗粒聚集长大,样品致密化程度提高。XRD测试表明烧结前后,样品均为非晶态。FT-IR测试表明烧结过后,凝胶中羟基已基本除去。UV-Vis测试则表明烧结得到的石英玻璃在350-1300nm波段范围内具有86%以上的透光度,且波长越长其透过率越高。BET测试表明烧结过后样品孔隙大幅减少,总孔体积由0.939cc/g减少至0.024cc/g。烧结前后样品密度测试表明,经烧结过程样品体积收缩约为96%,样品密度由0.936 g/cm~3增加至2.167g/cm~3,样品致密化程度大幅提高。以Yb(NO_3)_3·5H_2O为硅源,制备出镱硅摩尔比最高为2%的掺镱硅凝胶及透明掺镱石英玻璃。探讨了Yb~(3+)掺杂对样品制备过程的影响,Yb~(3+)掺杂会增加凝胶的干燥时间,并导致干凝胶最佳烧结温度或保温时间的改变。通过SEM、XRD、BET、DMA等方法对掺镱凝胶进行了测试。SEM测试表明Yb~(3+)掺杂对干凝胶形貌几乎不产生改变。XRD测试表明所有样品均为非晶态。BET测试表明孔径与孔体积越大,凝胶的最佳烧结温度越高。DMA测试则表明弹性模量越小,则在确保凝胶不开裂的情况下,样品能够适应的最快升温速率越高。
【学位单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TQ427.26;TN249
【部分图文】：

第3章干凝胶制备工艺研究19图3-2不同催化条件下凝胶开裂情况(a)酸催化（b）碱催化（c）酸碱催化Figure3-2Thecrackedconditionsofgelswithdifferentcatalysts（a）acidcatalysis（b）basecatalysis（c）acidandbasecatalysis在盐酸做催化剂的情况下，凝胶开裂时往往容易纵向开裂，使样品完全裂开，形成条状或片状。在氨水做催化剂的情况下，凝胶开裂情况比酸催化明显减轻，样品基本保持完整，开裂部分不与主体脱落，且开裂主要在发生在两端位置。酸碱两步法催化，凝胶开裂部分亦不与主体分离，且酸碱催化的得到的凝胶更加透明。显然，碱催化或者酸碱催化更容易得到无裂纹的干凝胶。在本实验中TEOS、水、乙醇三种原料刚混合在一起时，由于TEOS与水不互溶，且浓度较高，可以看到明显的分相现象，通过搅拌，反应液则呈略微浑浊状态。使用盐酸作为催化剂时，反应液可在2min内达到澄清状态，而使用氨水作为催化剂，溶液澄清则需要30min左右。考虑到Yb元素的掺杂，氢氧化镱溶于酸而不溶于水，溶液pH值较高则容易引起掺杂离子的沉淀。同时，有文献表明在重力作用下，会导致掺杂离子上下不均匀的情况出现[66]。所以，为保证Yb3+离子均匀掺杂，需要在较短时间内凝胶。表3-1为不同催化条件下的现象：表3-2不同催化条件下凝胶的不同点Table3-2Thediffeenceofgelsindifferentcatalysts催化条件水解速率凝胶速率透明度开裂情况Yb3+掺杂浓度酸催化快慢低严重高碱催化慢快较低较轻低酸碱催化快可调较高较轻较高通过对三种催化方式的比较，酸碱两步催化法水解速率快，凝胶速率可调，凝胶透明度较高，凝胶开裂情况较轻，且可掺杂浓度较高，优于盐酸或氨水单催化剂催化方法。所以，酸碱两步催化法更适宜于无开裂干凝胶的制备。3.2.3溶剂对凝胶的影响3

第3章干凝胶制备工艺研究19图3-2不同催化条件下凝胶开裂情况(a)酸催化（b）碱催化（c）酸碱催化Figure3-2Thecrackedconditionsofgelswithdifferentcatalysts（a）acidcatalysis（b）basecatalysis（c）acidandbasecatalysis在盐酸做催化剂的情况下，凝胶开裂时往往容易纵向开裂，使样品完全裂开，形成条状或片状。在氨水做催化剂的情况下，凝胶开裂情况比酸催化明显减轻，样品基本保持完整，开裂部分不与主体脱落，且开裂主要在发生在两端位置。酸碱两步法催化，凝胶开裂部分亦不与主体分离，且酸碱催化的得到的凝胶更加透明。显然，碱催化或者酸碱催化更容易得到无裂纹的干凝胶。在本实验中TEOS、水、乙醇三种原料刚混合在一起时，由于TEOS与水不互溶，且浓度较高，可以看到明显的分相现象，通过搅拌，反应液则呈略微浑浊状态。使用盐酸作为催化剂时，反应液可在2min内达到澄清状态，而使用氨水作为催化剂，溶液澄清则需要30min左右。考虑到Yb元素的掺杂，氢氧化镱溶于酸而不溶于水，溶液pH值较高则容易引起掺杂离子的沉淀。同时，有文献表明在重力作用下，会导致掺杂离子上下不均匀的情况出现[66]。所以，为保证Yb3+离子均匀掺杂，需要在较短时间内凝胶。表3-1为不同催化条件下的现象：表3-2不同催化条件下凝胶的不同点Table3-2Thediffeenceofgelsindifferentcatalysts催化条件水解速率凝胶速率透明度开裂情况Yb3+掺杂浓度酸催化快慢低严重高碱催化慢快较低较轻低酸碱催化快可调较高较轻较高通过对三种催化方式的比较，酸碱两步催化法水解速率快，凝胶速率可调，凝胶透明度较高，凝胶开裂情况较轻，且可掺杂浓度较高，优于盐酸或氨水单催化剂催化方法。所以，酸碱两步催化法更适宜于无开裂干凝胶的制备。3.2.3溶剂对凝胶的影响3

西南科技大学硕士学位论文20为提高离子掺杂量本实验中需要使用较多的溶剂。同时，由章节3.2.2，通过对催化剂的选择，可以减轻或消除溶剂对水解速率及凝胶时间的影响，所以，溶剂的多寡，主要影响到干燥时间。溶剂越多则干燥时间越长。本实验中采用50-100℃分级缓慢干燥的干燥制度，以10℃为1个阶段，每24h升温10℃，最终在100℃保温，对湿凝胶进行缓慢干燥。由于乙醇沸点较低，蒸发焓较小，对干燥过程影响较小，所以本文主要讨论水对干燥时间的影响。本实验中认为凝胶取出模具在室内环境下可长期保存且不开裂为凝胶干燥完全。图3-3为用水量对干燥时间的影响。其中用水量为水与TEOS用量的摩尔比。46810210240270300凝胶时间/h用水量图3-3为用水量对干燥时间的影响Figure3-3Theinfluenceofwaterindringtime由图3-3可以看出，在TEOS与水摩尔比在1:4至1:10之间时，用水量越多则凝胶完全干燥所需时间越长，且用水量与干燥时间呈非线性关系，当TEOS与水摩尔比为1:8时，其干燥时间较摩尔比1:6增加较少，且在该摩尔比下，有足量的溶剂进行掺杂离子的溶解，故本实验中选用TEOS：H20=1:8。3.2.3.2PC、TG溶剂体系在该体系中，溶剂主要为具有较高沸点的碳酸丙烯酯（PC）与四乙二醇二甲醚（TG）其沸点分别为242℃与275℃。其优点在主要于，该溶剂体系可以形成粘度较高的溶液，通过热固化，容易成型。同时，在较低温度条件下，由于溶剂沸点较高，溶剂挥发较少，凝胶体积收缩较小，不容易导致凝胶的开裂。在本实验中，通过分阶段缓慢干燥，在100℃除去少量残余水分后，得到干凝胶。图3-4为以PC、TG为溶剂制备出的干凝胶。图3-4PC、TG体系干凝胶图片Figure3-4PictureofxerogelwithPCandTGsystem
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 宋焕成;苏剑华;蒋鸿;李伯刚;;磷石膏烧结性能研究[J];磷肥与复肥;2013年04期

2 毕玉保;徐利华;化金良;;多种外加剂对红柱石制品烧结性能影响的研究[J];现代技术陶瓷;2006年01期

3 李光辉;李志宏;王文武;徐延庆;范志辉;孙红刚;;金属铬粉对致密氧化铬材料烧结性能的影响[J];耐火材料;2009年02期

4 卜景龙,梁波;添加物对硅线石烧结性能的影响[J];耐火材料;2001年03期

5 喻中清;宣钢自产精矿烧结性能[J];烧结球团;1990年02期

6 王浩;薛群虎;樊拓;;氧化锆活性对烧结性能的影响[J];硅酸盐通报;2017年12期

7 丁保华;;外加剂制备莫来石料烧结性能的影响[J];科技资讯;2008年13期

8 金胜利,李亚伟,李有奇,李楠;β-sialon/Al_2O_3/CaO系材料烧结性能及反应过程研究[J];硅酸盐学报;2004年02期

9 张占香;饶平根;盖学周;吕明;徐之文;;Al_2O_3/10Ce-TZP人工关节用复合材料的制备及烧结性能[J];中国陶瓷;2008年04期

10 宋谋胜;张杰;杨欢;周朋;张青杰;;电解锰渣-页岩-粉煤灰坯体的烧结性能研究[J];新型建筑材料;2019年09期

相关博士学位论文 前4条

1 杜远超;LiFe_(1-x-y)Mn_xMg_yPO_4/C复合材料的制备及性能研究[D];昆明理工大学;2018年

2 杨雨;基于钠硼硅玻璃分相法的稀土离子掺杂石英玻璃和光纤研究[D];华中科技大学;2018年

3 刘畅;石英玻璃的增材制造及应用[D];浙江大学;2019年

4 王伟;石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究[D];山东大学;2017年

相关硕士学位论文 前10条

1 姚威龙;块状掺镱硅凝胶制备及其烧结性能的研究[D];西南科技大学;2020年

2 柏雪;添加剂对以铝矾土为主要原料的支撑剂的烧结性能影响[D];武汉科技大学;2012年

3 徐秀华;六硼化镧粉体的制备及其烧结性能研究[D];湖南大学;2011年

4 赵森龙;柠檬酸盐法制备氧化镧钇亚微米粉体及其烧结性能研究[D];中国计量大学;2016年

5 孔祥松;过氧化物硅凝胶催化消毒技术的研究[D];东北大学;2008年

6 张跃峰;Re(Cr)-(Sr,Ba,Cd)-(Ga,In,Tl)-O型高温超导材料的研制[D];东北大学;2014年

7 付洋;低温烧结低损耗微波介电陶瓷研究[D];湖北大学;2012年

8 李林;仿生氧化硅凝胶固定化β-D-葡萄糖醛酸苷酶的研究[D];天津大学;2008年

9 毋娟;凝胶注模莫来石隔热材料的制备与性能[D];郑州大学;2010年

10 刘顺;超声磁粒研磨法对石英玻璃管内表面抛光试验研究[D];辽宁科技大学;2019年

本文编号：2890316