掺杂Nb2O5的钠钙硅玻璃结构与性能研究

凤杰，吴小飞，周珏辉，杨辉，张启龙

（1．浙江大学 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310027；2．浙江金利华电气股份有限公司，浙江 金华 321037）

掺杂Nb2O5的钠钙硅玻璃结构与性能研究

凤杰1，吴小飞2，周珏辉1，杨辉1，张启龙1

（1．浙江大学 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310027；2．浙江金利华电气股份有限公司，浙江 金华 321037）

以Na-Ca-Si玻璃系统为研究对象，研究了掺杂Nb2O5对Na-Ca-Si玻璃结构与性能的影响。结果表明：Nb2O5能够对原有的玻璃结构起到修复作用，Nb—O—Si及Nb=O键具有更高的键强，使玻璃的网络结构更加稳定、紧密，从而可显著提高机械强度，并降低介质损耗。当Nb2O5含量达到3%时Na-Ca-Si玻璃具有最佳综合性能，抗弯强度为117 MPa，相对介电常数为8.41，介电损耗为1.25×10-3。

玻璃；结构；机械强度；介质损耗

钠钙硅玻璃是典型的玻璃体系之一，在建筑门窗、建筑幕墙、运输车窗以及线路绝缘等方面都有广泛应用[1-4]。随着科学技术的发展，现代建筑、线路绝缘等应用对材料的要求不断提高。国内外学者展开了广泛研究，调节钠钙硅玻璃成分和结构，在改善玻璃力学、热学及透光性能的同时，增加其电学、光学等方面的性能，以满足特殊领域的应用。Dutta A等[5]探讨了钠钙玻璃不同频率的电导率和介电弛豫特性。Darwish H 等[6]研究了掺NdF3对钠钙玻璃性能的影响，结果表明，随NdF3掺量增加，玻璃的密度、电导率和介电常数增大，显微硬度下降。Shen JW等[7]研究了K/Na比对钠钙玻璃性能的影响，结果表明，随K增加，黏度先减小后呈对数增大，杨氏模量轻微降低，热膨胀系数增大。

现有钠钙硅玻璃由于Na2O、K2O的存在，带来了游离氧，破坏了玻璃内部的网络结构，降低了玻璃的机械强度（抗弯强度为80～90 MPa），限制了其在建筑、线路绝缘等领域的应用。本研究在现有钠钙硅玻璃配方基础上，采用掺杂Nb2O5的方法改善玻璃结构，提高玻璃的机械和电学性能。

1 实验

1.1 样品制备

以SiO2、CaCO3、MgO、Na2CO3、K2CO3、Al2O3、Na2SO4（AR，国药集团化学试剂有限公司）和Nb2O5（AR，阿拉丁化学股份有限公司）为原料，制备掺杂不同含量Nb2O5的Na-Ca-Si基玻璃，各玻璃样品的组分见表1。按表1分别称取各原料共100 g，使用行星式球磨机（QM-WX4，南京南大仪器厂）混合10 h，烘干后放入刚玉坩埚。使用钟罩式高温炉（无锡奥尔精工电炉有限公司）加热至1500℃熔制4 h，将玻璃液倒入事先预热好的模具中成型，随后放入退火炉中550℃退火3 h，随炉冷却。电学性能测试使用1～2 mm厚度的圆片状试样，两面涂覆电极。力学性能测试使用切割成20 mm×10 mm×2 mm的长方体玻璃试样。

1.2 表征与测试

样品的FTIR光谱采用Nicolet公司的Nicolet 5700型红外光谱仪进行分析，将玻璃样品研磨成粉末，与KBr粉末混合压片，扫描范围为400～3500 cm-1，分辨率2 cm-1。

采用Agilent 4294A型阻抗分析仪测试玻璃样品的电容和介电损耗，测试频率为1 MHz，测试温度为室温。根据式（1）计算材料的相对介电常数εr：

式中：h——试样的厚度，cm；

D——圆片的直径，cm；

c——试样的电容，nF。

使用微机控制万能电子试验机（WDW-300，济南良工试验机有限公司），采用三点弯曲方法测试长方体样的抗弯强度。

2 结果与分析

2.1 玻璃结构分析

图1为不同Nb2O5含量玻璃样品的红外图谱。

由图1可见，样品在400～3500 cm-1内主要有4大吸收谱带，吸收峰分别位于469、795、1038和2300 cm-1处。469 cm-1附近的吸收峰主要由Si—O的弯曲振动引起，795 cm-1附近的吸收峰主要由于Si—O—Si键的对称伸缩振动，1038 cm-1附近的吸收峰主要由于Si—O—Si的反对称伸缩振动，2300 cm-1附近的吸收峰则由于分子水或羟基有关的吸收[6，8]。

Nb在玻璃结构中以[NbO4]和[NbO6]两种配位状态存在，当Nb加入到Na-Ca-Si玻璃体系中后，形成了Nb—O—Si及这些化学键的形成使结构中的非桥氧离子数大为减少，玻璃结构得到了修复。同时，由于键具有更高的键强，对Na+，K+离子的阻碍作用也更强，所以可以很好地提升玻璃的介电性能。

2.2 机械性能

图2为不同Nb2O5含量对玻璃抗弯强度的影响。

由图2可见，当Nb2O5含量小于3%时，玻璃的抗弯强度随Nb2O5含量的增加而提高，当Nb2O5含量为3%时，玻璃的抗弯强度达到最大值117 MPa。这是因为Nb2O5加入后，形成的键使得断裂的SiO2重新连接，非桥氧比例减少，玻璃的网络结构得到改善。但是，当Nb2O5含量超过3%时，过量的Nb2O5可能带入非桥氧，使得玻璃的结构受到破坏，机械性能下降。Nb2O5含量为3%时，玻璃可以达到最优的机械强度。

2.3 介电性能

介电损耗和介电常数是衡量玻璃电学性能的基本指标。当较高电压作用于玻璃两端，玻璃内部的质点，尤其是Na+、K+离子就会产生迁移，产生导电电流，消耗掉一部分电能，转换为热能。损耗越大，消耗掉的能量越多。此外，电能转化为热能，使玻璃温度升高，加速了玻璃的老化，降低玻璃寿命。因此，玻璃的介电损耗越小，玻璃的绝缘性能越好，使用更安全。而介电常数与玻璃的耐击穿电压有关，介电常数越大，玻璃的耐击穿电压也越高[10-11]。

图3为不同Nb2O5含量对玻璃介电损耗和介电常数的影响。

由图3可见，随着Nb2O5含量的增加，玻璃的介电损耗显著减小，并且介电常数显著增强。当Nb2O5含量为4%时，玻璃的介电常数为8.78，介电损耗为1.23×10-3。

介电常数的增加可由离子极化机制解释。Tohdo等[12]提出相对介电常数（εr）可以根据Clausius-Mosotti方程计算：

式中：Vm——物质的摩尔体积；

α——物质的总极化率。

由式（2）可以发现，相对介电常数与离子极化率有关。极化率越大，介电常数越大[13]。Nb5+离子具有较大的离子半径，其离子极化率远大于原玻璃体系中的Si4+、Na+、Ca2+[14]。所以，在Na-Ca-Si玻璃体系中加入一定量的Nb5+离子可以有效提高玻璃的相对介电常数。

介电损耗由漏导损耗等机制产生。Nb2O5含量的增加，使得玻璃的网络结构得到修复。并且由于键拥有比Si—O键更高的键强，修复后的结构更加紧凑，使得Na+、K+离子被限制在玻璃网络结构的缝隙中，迁移阻力大大提高。在受到外界电压时，Na+、K+离子更少的迁移，减小了漏导损耗，使介电损耗减小。

3 结语

（1）Nb2O5加入Na-Ca-Si玻璃体系，在玻璃网络结构中形成Nb—O—Si键，能够减少玻璃体系中的非桥氧，修复网络结构。

（2）随着Nb2O5含量的增加，玻璃的介电常数增大，介电损耗减小，综合介电性能得到改善。力学性能方面，少量添加Nb2O5能够提高玻璃的抗弯强度，当Nb2O5含量为3%时玻璃体系强度达到最大，更大的添加量会降低玻璃抗弯强度。

（3）当Nb2O5含量为3%时，玻璃的介电常数为8.41，介电损耗为1.25×10-3，抗弯强度为117 MPa，较传统玻璃的性能有了较大改善。综上，含Nb2O5的Na-Ca-Si玻璃具有良好的综合性能，在建筑材料、线路绝缘等领域有较好应用前景。

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Study on structure and properties of Nb2O5doped soda lime glass

FENG Jie1，WU Xiaofei2，ZHOU Juehui1，YANG Hui1，ZHANG Qilong1
（1.School of Materials Science and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China；2.Zhejiang Jinlihua Electric Co.Ltd.，Jinhua 321037，Zhejiang，China）

The effect of Nb2O5addition on the structure and properties of soda lime glass are studied，choosing the Na-Ca-Si glass system as the basic research object.The results show that Nb2O5can effectively repair the original glass structure.The newly formed Nb—O—Si and Nb=O have larger bond energy，which results that glass network structure becomes more stable and compact，the mechanical strength is improved largely，and the dielectric loss is decreased.The experiment result shows that glass with 3%of Nb2O5contents reveals the best comprehensive properties：with the mechanical strength of 117 MPa，the relative dielectric constant of 8.41，and the dielectric loss of 1.25×10-3.

glass，structure，mechanical strength，dielectric loss

TU524；TQ171.71+8.1

A

1001-702X（2015）06-0060-03

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA030701）

2015-01-20

凤杰，男，1990年生，江苏盐城人，硕士，主要从事无机非金属材料相关研究。