【引言】

硼硅酸鹽玻璃由于其化學(xué)穩(wěn)定性、軟化溫度低、介電常數(shù)低和電阻高，在電子工業(yè)的各種技術(shù)應(yīng)用中具有極大的興趣，如顯示面板、低溫共燒陶瓷和包裝。目前，燒結(jié)溫度較低的硼硅酸鹽玻璃的選擇不斷擴大，以滿足嚴(yán)格的要求和降低制造成本。為了獲得燒結(jié)溫度較低的玻璃，必須加入一些堿金屬氧化物或二價金屬氧化物。

【成果介紹】

采用差示掃描量熱法（DSC）研究了摩爾組成為 60BaO-30B₂O₃-10SiO₂ 的玻璃在非等溫條件下的玻璃化轉(zhuǎn)變和結(jié)晶動力學(xué)。DSC 測試 (Linseis STA PT1600) 使用 50 mg 玻璃粉末樣品在靜態(tài)空氣下的氧化鋁坩堝中，在不同的加熱速率 (β = 5、10、15和20 K/min) 下，從室溫到 700 K 加熱。DSC 曲線顯示出與玻璃化轉(zhuǎn)變相關(guān)的吸熱峰和與玻璃結(jié)晶相關(guān)的兩個部分重疊的放熱峰。利用玻璃化溫度（Tg）和最大結(jié)晶溫度（Tp）對加熱速率的依賴性來確定與玻璃化相關(guān)的活化能（Eg）、結(jié)晶活化能（Ec）和 Avrami 指數(shù)（n）。X 射線衍射（XRD）表明，硼酸鋇（b-BaB₂O₄）是首先形成的晶相，然后形成硅酸鋇（Ba₅Si₈O₂₁）。還研究了結(jié)晶活化能和 Avrami 指數(shù)隨結(jié)晶分?jǐn)?shù)（v）的變化。當(dāng)結(jié)晶分?jǐn)?shù)（v）從 0.1 增加到 0.9 時，第一個放熱峰的局部活化能（Ec（v））值從 554 kJ/mol 下降到 458 kJ/mol ，第二個放熱峰從 1104 kJ/mol 下降到 831 kJ/mol 。Avrami 指數(shù)的測定值接近 2 ，表明兩種晶相的一維結(jié)晶機制相似。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對在第一和第二結(jié)晶溫度下熱處理的玻璃樣品進行的形態(tài)學(xué)研究證實了這一點。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：淬火玻璃和熱處理玻璃樣品的 XRD 圖譜。

圖2：在不同加熱速率下獲得的玻璃粉末的 DSC 曲線。

圖3：在 β =10 K/min 時獲得的結(jié)晶放熱中分離重疊結(jié)晶峰。

圖4：淬火玻璃的 Tg 與 logβ 。插圖描繪了在不同加熱速率下觀察到的玻璃化轉(zhuǎn)變峰。

圖5：ln (Tg²/β) 和ln (β) vs. 1000/Tg 的曲線圖。

圖6：兩個放熱峰的 ln (Tg²/β)和ln (β) vs. 1000/Tg 的曲線圖。

圖7：Ti 和 Tf 之間的面積 A ，以及 Ti 和 T 之間的第一結(jié)晶峰面積（β=10 K/min）。

圖8：對于重疊的兩個結(jié)晶峰，結(jié)晶分?jǐn)?shù) (v) 是不同升溫速率下溫度的函數(shù)。

圖9：在不同加熱速率下，第一和第二放熱峰的結(jié)晶速率隨溫度的變化。

圖10：在兩個結(jié)晶峰的不同加熱速率下，ln（-ln（1-χ））vs. 1000/T 的曲線圖。

圖11：在兩個結(jié)晶峰的不同 χ 值（0.1<χ<0.9）下，ln（β）vs. 1000/T 的曲線圖。

圖12：在 10 K/min 的加熱速率下，結(jié)晶的局部活化能 Ec（χ）和局部 Avrami 指數(shù) n（χ）作為結(jié)晶分?jǐn)?shù)（χ）的函數(shù)。

【結(jié)論】

采用 DSC、XRD 和 SEM 研究了 60BaO-30B₂O₃-10SiO₂(mol. %) 玻璃在非等溫條件下的熱行為和結(jié)晶動力學(xué)。DSC 曲線顯示玻璃轉(zhuǎn)變附近有吸熱效應(yīng)，有兩個重疊的結(jié)晶放熱峰。XRD 分析表明，第一個放熱峰對應(yīng)于 b-BaB₂O₄ 相的結(jié)晶，第二個放熱峰對應(yīng)于 Ba₅Si₈O₂₁ 相的形成。兩種方法測定的玻璃化轉(zhuǎn)變活化能分別為 190 kJ/mol 和 202 kJ/mol 。b-BaB₂O₄和Ba₅Si₈O₂₁ 生成的平均活化能分別為 ~588 kJ/mol 和 ~911 kJ/mol 。這表明硼酸鋇晶相的形成需要較低的活化能，因為它是在疏松的富硼酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中生成的，而硅酸鋇晶相必須在更連鎖的硅酸鹽玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中形成。

隨著結(jié)晶分?jǐn)?shù)在 0.1 ~ 0.9 之間的變化，b-BaB₂O₄ 的結(jié)晶局部活化能從 ~554 下降到 ~458 kJ mol^-1 ， Ba₅Si₈O₂₁ 的結(jié)晶局部活化能從 ~1104 下降到 ~831 kJ mol^-1。兩個放熱峰計算得到的 Avrami 指數(shù) n≈2 。掃描電鏡觀察表明，在 773 K 時以針狀亞微米晶粒的形成為主要結(jié)晶機制，但當(dāng)燒結(jié)溫度提高到 833 K 時，結(jié)晶從表面向塊體發(fā)展，形成形狀更規(guī)則的亞微米晶粒。