實驗報告-樣本1

科研項目階段實驗報告項目名稱：

石英纖維熱損傷機理研究

實驗?zāi)康模菏⒗w維的高溫相變與結(jié)構(gòu)分析實驗人員：

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上海大學(xué)先進功能材料實驗室實驗報告（兩周寫一次，實驗內(nèi)容可多可少，就是僅僅一個XRD實驗，也要求撰寫規(guī)范的實驗報告）1.實驗過程（一定要講清楚實驗方法、實驗原理、儀器設(shè)備和實驗條件?。?.1TG/DSC用TG/DSC分析儀（NETZSHSTA409PG/PC）研究石英纖維高溫條件下熱重變化規(guī)律。由于石英纖維表面有1%左右的有機物表面處理劑，為了排除有機物處理劑對石英纖維熱重變化的影響，將石英纖維事先放在丙酮中超聲清洗20分鐘，再在乙醇中超聲清洗20分鐘，剪成5mm以下的小段。測試條件：試樣置于剛玉坩中，在空氣條件下，升溫和降溫的速率均為10℃/min。(1)室溫~1600℃，升溫降溫循環(huán)一次；(2)分別升溫到400℃、600℃、800℃、1000℃，恒溫10小時，再降溫。1.2高溫XRD用RigakuD/max2550V型X射線衍射儀（CuKRadiation）對石英纖維樣品的相變化進行分析。2范圍15~75，步長0.0148，計數(shù)時間0.2sec/step，溫度范圍25℃~1200℃，溫度間隔50℃，升溫速度0.1℃/s，樣品放置在剛玉坩堝中。1.3高溫Raman借助JYU1000型拉曼（Raman）光譜儀研究石英纖維的晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的變化規(guī)律。從室溫到1400℃。升溫速率50℃/min，在每一測量溫度點保溫30min。2.實驗結(jié)果及分析討論（一定要處理好實驗數(shù)據(jù)，做出規(guī)范的圖表，盡量自己先分析一下，然后主動找老師指導(dǎo)，最后再修改完善）2.1TG/DSC分析結(jié)果圖1為分析純非晶態(tài)的SiO2試劑和表面清洗處理過的石英纖維在升溫和降溫過程中的TG/DSC分析結(jié)果。從圖中對比可以看出分析純非晶態(tài)的SiO2試劑和石英纖維的TG/DSC曲線相似，在升溫到1500℃的過程中都沒有明顯的相變熱；而在降溫過程中，純SiO2試劑和石英纖維分別在222.0℃和227.4℃有一個明顯的放熱峰，說明經(jīng)過1500℃處理后，石英纖維晶化變成高溫方石英，降溫到該溫度附近發(fā)生了相變，相變熱分別為-20.87J/g和-23.94J/g，這與高溫型方石英變轉(zhuǎn)成低溫型方石英的相變熱相當(dāng)。圖1SiO2和石英纖維在升溫和降溫過程中的DSC曲線文獻報道，在SiO2單相體系的各種同質(zhì)異構(gòu)晶型中（見圖2），石英（-quartz）、鱗石英（-tridymite）和方石英（-cristobalite）是三種基本的晶型（見圖3）。在這些基本晶型之間的轉(zhuǎn)變是通過化學(xué)鍵的斷開而重建新的結(jié)構(gòu)。相變前后，兩個變體的對稱性及空間群不同，因而是重建式轉(zhuǎn)變。這種相變的活化能較高，引起的體積變化較大，但相變的動力學(xué)過程緩慢。進一步的研究表明，只有存在某種礦化劑時，石英在867℃才會緩慢地變成穩(wěn)定的鱗石英。而在每種基本結(jié)構(gòu)的高溫型與低溫型之間的轉(zhuǎn)變不需要斷開和重建化學(xué)鍵，屬于位移式轉(zhuǎn)變。這種相變前后，整體結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生根本變化，僅是M-O-M鍵角發(fā)生了變化，整體晶格變形，所以相變活化能較低，轉(zhuǎn)變速度較快，體積上的變化較小。由于相變迅速，因而位移式相變是引起材料強度下降不可忽視的因素。圖2SiO2的晶型轉(zhuǎn)變圖3硅氧四面體的結(jié)合方式(a)-方石英；(b)-鱗石英；(c)--石英在本實驗的條件下，一方面升溫速度很快，另一方面石英纖維的雜質(zhì)含量很少，石英纖維轉(zhuǎn)變成-鱗石英的可能性很小。石英纖維主要是非晶態(tài)的石英，在升溫到1500℃的過程中，非晶態(tài)的石英逐漸轉(zhuǎn)變成-方石英的結(jié)構(gòu)，由于轉(zhuǎn)變溫度較寬，很難測出相變引起的吸熱峰和放熱峰。而從高溫冷卻下來時，-方石英容易發(fā)生位移式轉(zhuǎn)變，即高溫型方石英在200~270℃之間，通過晶格畸變轉(zhuǎn)變成低溫型方石英。在石英纖維復(fù)合材料的制備過程中，材料通常要加熱到600~1000℃，并且長時間保溫。為了考察在制備時的熱處理條件下，石英纖維是否存在析晶和相變，本文對石英纖維分別加熱到600℃，800℃，1000℃，恒溫10小時，再降溫，研究TG/DSC變化。實驗結(jié)果見圖4。從圖中可以看出，在上述三個溫度的升溫和降溫過程中沒有明顯的相變熱峰，說明在石英纖維復(fù)合材料的制備過程條件下中沒有相變發(fā)生。此外，在升溫和降溫過程中沒有重量的變化，說明沒有物質(zhì)的揮發(fā),即經(jīng)過丙酮和乙醇超聲清洗后，表面處理劑沒有明顯殘留。圖4石英纖維升溫到不同溫度保溫10小時后再降溫全過程的TG/DSC曲線2.2XRD分析結(jié)果從圖5中對石英纖維高溫XRD的分析結(jié)果同樣可以看出，在室溫到1200℃的升溫和降溫過程中，沒有明顯物相的變化。但是，從實驗前后石英纖維的特征峰的半高峰寬變小，說明隨著溫度升高原來非晶態(tài)的石英纖維的結(jié)構(gòu)有序化程度提高，而且這一過程在降溫時并不完全可逆，即經(jīng)過室溫~1200℃熱處理后，回到室溫條件下，玻璃態(tài)石英纖維的結(jié)構(gòu)有序化提高并部分保持到室溫。圖5石英纖維的高溫XRD分析結(jié)果由圖6為經(jīng)過熱處理保溫2小時的石英纖維的室溫XRD圖譜。從圖中可以看出，1200℃處理過的石英纖維在XRD譜上沒有明顯的-方石英衍射峰，1250℃開始有明顯-方石英衍射峰，但原來非晶態(tài)的峰仍然存在，1300℃出現(xiàn)大量-方石英相,隨著溫度升高,-方石英相含量增加。說明石英纖維生成-方石英的溫度在1250℃左右。圖6不同溫度處理2小時后石英纖維的室溫XRD分析結(jié)果2.3高溫Raman分析結(jié)果由于監(jiān)測儀器和手段的限制，材料研究者們很難在高溫（1600K或更高）條件下，用實時、無損的方法研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。上海大學(xué)材料學(xué)院現(xiàn)已完成對原有JYU1000型拉曼（Raman）光譜儀的改造，配置了微區(qū)分析顯微鏡、1350型顯微熱臺，實現(xiàn)了高溫達到1600K的顯微拉曼監(jiān)測；通過從俄羅斯科學(xué)院引進光譜信號的時間分辨監(jiān)測技術(shù)，可以實現(xiàn)2000K以下的宏觀拉曼監(jiān)測。該項技術(shù)在我國獨具特色，在國際上亦屬先進水平。高溫拉曼技術(shù)的發(fā)展，使實時研究高溫條件下的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律成為可能。這對許多在高溫、高壓或物理場（微波電磁場、電場等）作用下的物理化學(xué)反應(yīng)的研究提供了有利的手段。高溫拉曼技術(shù)可用于晶體生長、高溫相變、冶金熔體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)反應(yīng)等的實時監(jiān)測。這樣既得到反應(yīng)物和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)信息，還可以獲取反應(yīng)中間體及其變化過程的信息，對高性能新材料的研究具有非常重要的意義。圖7為石英纖維室溫~1400℃的高溫拉曼光譜，從圖中可以看出，從室溫~1200℃石英纖維纖維的分子結(jié)構(gòu)仍然是近程有序、遠程無序的非晶態(tài)（玻璃態(tài)）結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度升高到1250℃以上時，石英纖維的分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全改變，結(jié)合X