首页> 正文

硼硅酸盐微晶玻璃析晶动力学及其应用研究

2020-12-07阅读(344)

硼硅酸盐微晶玻璃析晶动力学及其应用研究

论文摘要

硼硅酸盐微晶玻璃具有熔点低,化学稳定性好、热膨胀系数调节范围宽、介电性能优良等特点,在信息产业及能源工业中具有广阔的应用前景。作为半导体硅晶片掺硼的固态扩散源和固体氧化物燃料电池（SOFC）双极板的密封材料是硼硅酸微晶玻璃的两个重要应用,也是当前研究的热点之一。本文采用熔融法制备了B2O3-Al2O3-SiO2系统和BaO-Al2O3-B2O3-SiO2系统微晶玻璃。根据微晶玻璃的应用背景,结合析晶动力学研究方法,较系统地研究了组成对微晶玻璃的晶化行为、显微结构及相关性能的影响,并对所制得的微晶玻璃进行了在硅晶片上的掺硼扩散试验。对掺硼扩散源用B2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的组成研究表明,随着B2O3/SiO2比值的增大,Si4+在玻璃网络结构的地位被削弱,而B3+在玻璃网络中则逐渐占有绝对优势,[BO4]向[BO3]转变。玻璃析出的主晶相主要有Al4B2O9和Al18B4O33晶体,硼含量的增加不仅提高了玻璃的析晶能力,而且有利于Al4B2O9晶体的析出。单独引入不同的碱土金属氧化物到玻璃中均能形成良好的玻璃,玻璃析晶能力变化趋势是BaO>MgO>CaO,其中引入MgO的玻璃析出的主晶相是Al4B2O9,而引入BaO和CaO的则是以Al18B4O33晶体为主晶相,玻璃均具有较低的热膨胀系数（5～6 ppmK-1）和较高的软化温度（约为1200℃）。TiO2和ZrO2不是有效的晶核剂,它们的引入使得析出晶体的尺寸极其不均。采用熔融法制备的硼微晶玻璃扩散源片不容易引入杂质,不含气孔,材料结构致密,晶粒尺寸细小均匀,是制备高纯度长寿命硼微晶玻璃扩散源的有效方法。组成为8.2BaO-1.8MgO-32Al2O3-35B2O3-23SiO2（wt%）玻璃的适合热处理工艺为：从室温以5℃·min-1升至800℃,保温5h；再以1℃·min-1从800℃升温至1050℃,保温1～2h。实验中所制得的硼微晶玻璃扩散源片经硼预扩散和再扩散共300h的试用,各项指标均与进口同类样品相当,且未发现炸裂、变形等现象,进一步通过电参数和可靠性验证后,有望取代进口。SOFC封接用BaO-Al2O3-B2O3-SiO2系统中,Al2O3含量=5mol%时,Al3+主要以网络中间体形式存在于玻璃网络结构中,玻璃稳定性增加；当Al2O3含量增加到10mol%,Al3+开始作为网络形成体存在,玻璃稳定性降低。Al2O3的引入提高了玻璃的析晶温度,且有利于BaSiO3和BaAl2Si2O8晶体的析出。BaO含量增加,玻璃的热膨胀系数增加,而B2O3/SiO2比增大,玻璃的热膨胀系数会稍有减小,但玻璃转变温度和软化温度都会降低。用RO（R=Mg、Ca、Zn）替代部分BaO后,玻璃的热膨胀系数会降低,其中引入ZnO的玻璃下降最多,为14%,而玻璃转变温度和软化温度则是升高的。本文研制的SOFC封接用玻璃的热膨胀系数基本都能与电解质材料8YSZ（10.0ppmK-1）匹配,且使用温度满足SOFC的工作温度（600～800℃）要求。过多的Al2O3（=10mol%）会降低玻璃对电解质的润湿性,使封接温度升高。引入MgO和CaO的玻璃能在较低温度对8YSZ表现出良好的润湿性,而引入ZnO的玻璃则润湿温度高出100℃左右。组成为38BaO-5Al2O3-19B2O3-38SiO2（mol%）玻璃在700℃热处理100h后,热膨胀系数增加小于1%,具有较好的长期稳定性。引入RO的玻璃中对热膨胀系数影响最大的是ZnO,达到2%。各玻璃经700℃热处理100h后,界面结合紧密,没有出现明显的反应层,扩散层厚度均小于10μm,与电解质材料具有很好的化学相容性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 插图索引
  • 附表索引
  • 第1章 绪论
  • 1.1 微晶玻璃
  • 1.1.1 微晶玻璃概述
  • 1.1.2 微晶玻璃的种类
  • 1.1.3 微晶玻璃的制备方法
  • 1.1.4 微晶玻璃的应用
  • 1.2 硅晶片掺硼用微晶玻璃扩散源研究进展
  • 1.2.1 扩散源的分类
  • 1.2.2 硼微晶玻璃扩散源研究进展
  • 1.2.3 硼微晶玻璃扩散源研究背景
  • 1.2.4 硼微晶玻璃扩散源片扩散质量检测
  • 1.3 固体氧化物燃料电池用微晶玻璃研究进展
  • 1.3.1 固体氧化物燃料电池
  • 1.3.2 SOFC封接材料特点及要求
  • 1.3.3 SOFC微晶玻璃封接材料
  • 1.3.4 SOFC微晶玻璃封接材料研究背景
  • 1.4 本文研究的目的与内容
  • 1.4.1 研究目的
  • 1.4.2 研究内容
  • 第2章 实验
  • 2.1 实验原料及配方
  • 2.2 制备工艺
  • 2.3 性能测试与表征
  • 2.3.1 差示扫描量热分析（DSC）
  • 2.3.2 热重分析（TG）
  • 2.3.3 热膨胀系数（CTE）测试
  • 2.3.4 X射线衍射（XRD）物相分析
  • 2.3.5 红外光谱（IR）分析
  • 2.3.6 显微结构分析
  • 2.3.7 密度测定
  • 2.3.8 晶相转变分数（a）测定
  • 2.3.9 玻璃软化行为及润湿行为测定
  • 2.3.10 X射线能谱（EDS）元素分析
  • 2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃组成研究及析晶动力学分析'>第3章 B2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃组成研究及析晶动力学分析
  • 3.1 引言
  • 2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的影响'>3.2 硼硅比对B2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的影响
  • 3.2.1 硼硅比对玻璃结构的影响
  • 3.2.2 不同硼硅比玻璃的析晶动力学分析
  • 3.2.3 硼硅比对玻璃晶化行为和显微结构的影响
  • 2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的影响'>3.3 碱土金属氧化物对B2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的影响
  • 3.3.1 添加不同碱土金属氧化物玻璃的析晶动力分析
  • 3.3.2 碱土金属氧化物对玻璃晶化行为和显微结构的影响
  • 3.3.3 碱土金属氧化物对微晶玻璃物理性能的影响
  • 2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的影响'>3.4 晶核剂对B2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的影响
  • 3.5 本章小结
  • 2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的制备及其在硅晶片上的掺杂试验'>第4章 B2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的制备及其在硅晶片上的掺杂试验
  • 4.1 引言
  • 2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的影响'>4.2 制备工艺对B2O3-Al2O3-SiO2微晶玻璃的影响
  • 4.2.1 制备方法对微晶玻璃的影响
  • 4.2.2 热处理工艺对微晶玻璃的影响
  • 4.3 硼微晶玻璃扩散源片制备及掺杂试验
  • 4.3.1 硼微晶玻璃扩散源片制备工艺
  • 4.3.2 掺杂试验方法与主要内容
  • 4.3.3 硼预扩散试验
  • 4.3.4 硼再扩散试验
  • 4.3.5 硼扩散试验结果及分析
  • 4.4 本章小结
  • 2O3-B2O3-SiO2封接材料制备与性能研究'>第5章 SOFC用BaO-RO-Al2O3-B2O3-SiO2封接材料制备与性能研究
  • 5.1 引言
  • 2O3-B2O3-SiO2系统玻璃的制备与性能研究'>5.2 BaO-Al2O3-B2O3-SiO2系统玻璃的制备与性能研究
  • 2O3对玻璃系统的影响'>5.2.1 Al2O3对玻璃系统的影响
  • 5.2.2 BaO对玻璃系统的影响
  • 2O3/SiO2比对玻璃系统的影响'>5.2.3 B2O3/SiO2比对玻璃系统的影响
  • 2O3-B2O3-SiO2玻璃性质的影响'>5.3 RO对BaO-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃性质的影响
  • 5.3.1 RO对玻璃稳定性的影响
  • 5.3.2 RO对玻璃热性质的影响
  • 5.3.3 RO对玻璃析晶的影响
  • 2O3-B2O3-SiO2玻璃与8YSZ的润湿性与适应性'>5.4 BaO-RO-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃与8YSZ的润湿性与适应性
  • 5.4.1 玻璃的热膨胀匹配与高温粘度分析
  • 5.4.2 玻璃的润湿行为研究
  • 5.4.3 玻璃与8YSZ的长期适应性研究
  • 5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 附录A 攻读学位期间所发表的相关学术论文目录

    • 相关论文文献

    • [1].硼硅酸盐玻璃窑炉烟气处理技术[J]. 玻璃 2020(10)
    • [2].渗锡对硼硅酸盐浮法玻璃表面析晶的影响[J]. 武汉理工大学学报 2010(22)
    • [3].硼硅酸盐浮法玻璃的抛光温度[J]. 材料科学与工程学报 2012(01)
    • [4].铝硼硅酸盐硼挥发抑制的初步研究[J]. 玻璃纤维 2010(06)
    • [5].硼硅酸盐废物玻璃中硫形态的拉曼光谱[J]. 原子能科学技术 2009(02)
    • [6].铒硼硅酸盐稀土玻璃的析晶行为[J]. 中国稀土学报 2009(03)
    • [7].硼硅酸盐生物玻璃浸提液对成骨细胞增殖活力及成骨信号通路功能的调节作用[J]. 海南医学院学报 2017(21)
    • [8].Ce:YAG荧光玻璃的制备与光学性能[J]. 材料研究与应用 2016(04)
    • [9].离子交换对硼硅酸盐平板玻璃表面组成及性能的影响(英文)[J]. 硅酸盐学报 2008(04)
    • [10].SiO_2含量对硼硅酸盐—锂辉石玻璃性能的影响[J]. 真空电子技术 2008(03)
    • [11].高放废料固化用硼硅酸盐材料研究进展[J]. 玻璃 2018(02)
    • [12].可调白光发射的Ce-Tb-Eu共掺钙硼硅酸盐发光玻璃[J]. 发光学报 2013(03)
    • [13].低软化点硼硅酸盐微晶玻璃的制备[J]. 内蒙古科技大学学报 2011(02)
    • [14].硼硅酸盐生物活性玻璃多孔支架的制备[J]. 无机材料学报 2008(02)
    • [15].硼硅酸盐浮法玻璃平衡厚度和抛光时间的研究[J]. 玻璃与搪瓷 2008(02)
    • [16].硼硅酸盐生物玻璃表面多层结构的形成机理(英文)[J]. 无机化学学报 2008(07)
    • [17].Na_2O-B_2O_3-SiO_2玻璃结构中硼配位状态的研究[J]. 硅酸盐通报 2016(01)
    • [18].Ti~(4+)掺杂硼硅酸盐微晶玻璃的光谱特性[J]. 发光学报 2011(04)
    • [19].CaO-ZrO_2-TiO_2-Al_2O_3-B_2O_3-SiO_2玻璃陶瓷的制备及化学稳定性研究[J]. 西南科技大学学报 2012(02)
    • [20].硼硅酸盐/氧化铝复合陶瓷基板的打印制备与性能研究[J]. 电子元件与材料 2018(02)
    • [21].改性硼硅酸盐生物玻璃的可控降解性能(英文)[J]. 中国组织工程研究与临床康复 2008(10)
    • [22].Na_2O/SiO_2对硼硅酸盐钙钛锆石固化体化学稳定性的影响[J]. 中国建材科技 2019(01)
    • [23].炭/炭复合材料硼硅酸盐玻璃涂层制备及性能研究[J]. 材料工程 2010(07)
    • [24].铽铝硼硅酸盐磁光玻璃形成性能及热稳定性研究[J]. 材料导报 2008(11)
    • [25].生物活性硼硅酸盐多孔支架的体外活性及细胞毒性[J]. 科学通报 2009(04)
    • [26].高浓度稀土掺杂硼硅酸盐磁光玻璃化学稳定性的研究(英文)[J]. 陕西科技大学学报(自然科学版) 2008(04)
    • [27].电感耦合等离子质谱法测定水中硼元素消除记忆效应[J]. 城市建设理论研究(电子版) 2017(11)
    • [28].核废料硼硅酸盐玻璃在酸性溶液环境下的摩擦磨损性能[J]. 摩擦学学报 2020(03)
    • [29].含锶硼硅酸盐生物玻璃的降解性能及体外生物活性[J]. 功能材料 2010(03)
    • [30].硼硅酸盐浮法玻璃特性及应用[J]. 中国建材 2008(04)

    标签：;  ;  ;  ;  ;  

    硼硅酸盐微晶玻璃析晶动力学及其应用研究
    下载Doc文档

    猜你喜欢

    © 2024 毕速过 版权所有 鄂ICP备12018319号-5