稀土硅酸盐结构调整及红外光谱研究

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近年来,随着信息获取手段的日益丰富,光学技术的不断发展,红外光技术也不断取得了创新与突破,在生产、生活和军事等诸多领域得到了广泛的应用。为了更加充分的利用红外光和保护被红外光辐射的材料,红外吸收材料的研究应运而生。红外领域的研究主要集中于2~2.6μm、3~5μm和8~14μm波长范围。本文通过对合成原料的选择,合成条件的调整,对硅酸盐材料中硅氧四面体网络进行调节,得到具有良好的红外吸收性能的稀土硅酸盐材料。本文的基本研究思路是通过R金属或M金属离子破坏二氧化硅的网络结构,并掺入稀土离子,共同调节硅酸盐中的[SiO4]四面体单元的连接方式。硅氧阴离子基团不同,吸收的红外光的波长也不相同,吸收的效果也有明显的差异,不同稀土离子对硅氧阴离子基团的影响也不同,这为实现对某一特定波长红外光较好的吸收提供了可能性,并制备出一类能够实现对多种波长红外光进行选择性吸收的材料。本研究主要内容包括:  ⑴利用新型的合成方法微-波法合成稀土硅酸盐前驱体,缩短了固相反应的时间,降低了能源的浪费。利用傅里叶变换红外线光谱分析仪(FTIR),差热-热重(DSC-TG),场发射扫描电子显微镜(FESEM)和核磁谱共振谱(NMR),对前驱体热处理温度,时间做了研究,发现在1000℃热处理1h或4h可以得到具有较好的红外吸收性能的稀土硅酸盐,其硅氧四面体结构主要以Q1和Q0的形式存在于结构中(Qn指硅酸盐结构中Si所处的化学环境,其中n指硅氧四面体的桥氧数,n值可为4,3,2,1,0),且其颗粒尺寸较小。在此基础上,引入十六烷基三甲基溴化铵(CTAB),控制了热处理过程中产物颗粒的长大。  ⑵通过对硅源,R金属与M金属源和稀土源的选择分析,确定了以纳米二氧化硅,氧化钐,碳酸Ra(氧化物体系)和以纳米二氧化硅,硝酸钐,硝酸Ra或碳酸Ra(硝酸盐体系)来调整稀土硅酸盐结构并使其具有较好的红外吸收性能。  ⑶氧化物体系中,采用固相法结合DSC-TG曲线,对稀土硅酸盐材料的合成条件进行调节与控制,考察了温度,时间,Sm/Si及Ra/Si对含Sm硅酸盐结构和红外锐吸收性能的影响,并制各出可以实现对红外光较好的吸收效应的稀土硅酸盐。通过NMR对稀土硅酸盐的结构作了简单的分析,发现具有最好红外吸收性能的稀土硅酸盐,其硅氧四面体单元主要以Q0和Q1的形式存在于材料中。  ⑷氧化物体系中,对于含有不同稀土元素的硅酸盐而言,本文所探索的含Sm硅酸盐红外吸收材料的制备工艺是具有普适性。因而,通过掺入不同稀土离子,可以使得稀土硅酸盐中Si-O键的振动吸收频率在五十波数的范围内有规律的变化,实现了对不同波长的红外光的较好吸收。  ⑸硝酸盐体系中,采用固相法结合差热-热重(DSC-TG)曲线,对稀土硅酸盐材料的合成过程进行调节与控制,考察了Sm/Si比例及Ra/Si对含Sm硅酸盐结构和红外吸收性能的影响,制备了可以实现对红外光形成较好的吸收效应的稀土硅酸盐,且效果比稀土氧化物更好;且以950℃陶瓷化后的样品仍能保持原料的红外吸收性能。
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