Bi?O?掺杂对Fe?O?–P?O?–V?O?四元玻璃体系微纳力学及介电性能的影响

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Impact of Bi?O? doping on micro/nano-mechanical and dielectric properties of Fe?O?–P?O?–V?O? quaternary glass systems

该研究通过熔融淬火法制备了Bi?O?掺杂的Fe?O?-P?O?-V?O?磷酸玻璃，系统分析了Bi?O?含量（0-0.4）对材料机械和介电性能的影响。结果表明：随着Bi?O?含量增加，微硬度从182 Hv提升至766 Hv，纳米硬度达828.67 Hv，弹性模量增至150.94 GPa，同时介电常数ε/增加15%，离子迁移率降低。研究揭示了Bi3?和Fe3?的协同作用对玻璃网络结构强化及介电性能优化的机制。

　　玻璃材料在现代科技中扮演着至关重要的角色，特别是在掺杂铁氧化物的体系中，其应用范围广泛。铁氧化物因其环保、成本低廉以及增强玻璃化学耐久性的特性，成为研究的重点。玻璃的性能往往受到其组成和结构的显著影响，而通过改变玻璃中不同氧化物的比例，可以有效调整其物理和电学特性。本研究聚焦于一种由铁氧化物、磷酸盐和五氧化二钒组成的玻璃体系，探讨引入二价氧化铋（Bi?O?）对其机械性能和电介质特性的影响。

该研究采用熔融急冷法合成一系列四元玻璃，其化学组成设定为xBi?O?-(0.40-x)Fe?O?–0.25P?O?–0.35V?O?，其中x代表Bi?O?的含量，分别为0、0.1、0.2、0.3和0.4。熔融急冷法是一种常用的玻璃制备技术，通过在高温下将原料熔化并迅速冷却，避免结晶的形成，从而获得非晶态结构。此方法在实验过程中被广泛采用，以确保玻璃的均匀性和稳定性。

为了评估这些玻璃的性能，研究人员采用了多种分析手段。首先，通过机械测试测量了不同Bi?O?含量下的玻璃的显微硬度和纳米硬度。显微硬度是衡量材料在宏观尺度上抵抗局部变形能力的一个重要指标，而纳米硬度则提供了更精细的局部结构信息。测试结果表明，随着Bi?O?含量的增加，显微硬度从182 Hv显著提升至766 Hv，纳米硬度则从191.52 Hv增加到828.67 Hv。这些数据反映出Bi?O?的引入促进了玻璃结构的致密化和原子排列的优化，从而提升了其机械性能。

此外，研究人员还通过弹性模量的测定进一步验证了这一趋势。弹性模量是衡量材料在受力时抵抗形变能力的一个关键参数，其数值随着Bi?O?含量的增加而显著提高，从56.97 GPa上升至150.94 GPa。这种结构上的增强不仅影响了机械性能，还对电介质特性产生了深远的影响。通过电介质测量，研究人员发现，随着Bi?O?的加入，电介质常数（ε'）在低频条件下有所增加，同时在温度变化下保持相对稳定。测试结果显示，在413 K时，电介质常数出现了15%的提升。这一现象表明，Bi?O?的引入可能增强了玻璃网络的刚性，从而改善了其电介质响应。

电介质损耗（ε''）的测量则揭示了材料内部偶极子弛豫行为的变化。随着Bi?O?含量的增加，电介质损耗表现出更有效的弛豫过程，特别是在低频条件下，其性能在x=0.3时达到最佳。这一发现说明，Bi?O?的加入不仅改善了玻璃的结构，还优化了其电介质性能。通过电介质弛豫激活能的分析，研究人员还发现，随着Bi?O?含量的增加，离子迁移率和能量障碍逐渐降低，从0.67 eV（x=0.1）下降至0.49 eV（x=0.4）。这一变化表明，Bi?O?的引入可能降低了玻璃中离子的运动阻力，从而提高了其电导率。

为了更全面地理解这些玻璃的特性，研究人员还进行了电介质模量的测量。电介质模量图谱显示，这些玻璃表现出非德拜弛豫行为，这表明其电介质响应不同于传统的德拜模型。随着Bi?O?含量的增加，电介质损耗模量的峰值向更高频率移动，这说明玻璃结构的刚性变化对电介质响应产生了显著影响。通过这些分析，研究人员进一步揭示了Bi?O?和Fe?O?在玻璃体系中的协同作用，以及它们如何通过结构优化来提升玻璃的机械稳定性和电介质性能。

除了机械和电介质性能的分析，研究人员还通过结构研究进一步验证了这些变化的机制。采用X射线衍射（XRD）技术对玻璃样品的结构进行了研究，使用Rigaku公司的TTRAX-III X射线衍射仪进行分析。XRD扫描范围为5°至80°，扫描速率为0.04°/s，采用CuKα辐射源（波长为1.5418 ?）。通过XRD分析，研究人员能够识别玻璃网络中的不同化学键和其对应的振动模式。这些数据进一步支持了Bi?O?的引入对玻璃结构的优化作用。

同时，研究人员还利用拉曼光谱（Raman spectroscopy）对玻璃的结构进行了更精确的分析。拉曼光谱的测量范围为200–1200 nm，能够提供关于玻璃中化学键类型和其对应振动模式的详细信息。通过这些光谱分析，研究人员发现，Bi?O?的引入改变了玻璃中化学键的分布，使得玻璃网络更加稳定，从而提升了其机械和电介质性能。

这些研究结果不仅展示了Bi?O?和Fe?O?在玻璃体系中的协同作用，还为优化玻璃材料的性能提供了新的思路。Bi?O?虽然通常不被视为主要的玻璃形成剂，如二氧化硅（SiO?）和三氧化二硼（B?O?），但它在特定条件下或与其他玻璃形成剂结合时，能够有效促进玻璃的形成。Bi3?离子具有较弱的静电场强度，这意味着它与周围电子之间的静电吸引力相对较弱。这种弱场强度使得Bi3?离子具有较高的极化能力，从而在玻璃形成过程中起到重要作用。

在本研究中，Bi?O?的引入不仅提高了玻璃的机械性能，还优化了其电介质特性。通过机械测试和电介质测量的结合，研究人员能够更全面地评估玻璃材料的性能变化。这些研究结果表明，Bi?O?和Fe?O?的协同作用可以显著提升玻璃的机械稳定性和电介质性能，从而满足新型光学、电子和电化学设备的高要求。

此外，研究人员还探讨了铁氧化物对玻璃体系的影响。铁氧化物的加入能够显著提升玻璃的化学耐久性和热稳定性，同时改善其机械性能。通过改变玻璃中铁氧化物的比例，可以有效调整其性能。例如，一些研究指出，铁氧化物的加入能够提高玻璃的导电率和化学耐久性，使其在更广泛的温度和湿度条件下保持稳定。这些发现进一步支持了铁氧化物在玻璃体系中的重要性。

综上所述，本研究通过系统分析Bi?O?和Fe?O?的协同作用，揭示了它们如何通过结构优化来提升玻璃的机械稳定性和电介质性能。这些研究结果不仅拓展了现有玻璃材料的研究领域，还为未来开发高性能的玻璃材料提供了理论支持和技术指导。通过这些分析，研究人员能够更深入地理解玻璃材料的性能变化机制，从而为实际应用提供更可靠的依据。