实验报告-样本1

科研项目阶段实验报告项目名称：

石英纤维热损伤机理研究

实验目的：石英纤维的高温相变与结构分析实验人员：

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期：

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上海大学先进功能材料实验室实验报告（两周写一次，实验内容可多可少，就是仅仅一个XRD实验，也要求撰写规范的实验报告）1.实验过程（一定要讲清楚实验方法、实验原理、仪器设备和实验条件！）1.1TG/DSC用TG/DSC分析仪（NETZSHSTA409PG/PC）研究石英纤维高温条件下热重变化规律。由于石英纤维表面有1%左右的有机物表面处理剂，为了排除有机物处理剂对石英纤维热重变化的影响，将石英纤维事先放在丙酮中超声清洗20分钟，再在乙醇中超声清洗20分钟，剪成5mm以下的小段。测试条件：试样置于刚玉坩中，在空气条件下，升温和降温的速率均为10℃/min。(1)室温~1600℃，升温降温循环一次；(2)分别升温到400℃、600℃、800℃、1000℃，恒温10小时，再降温。1.2高温XRD用RigakuD/max2550V型X射线衍射仪（CuKRadiation）对石英纤维样品的相变化进行分析。2范围15~75，步长0.0148，计数时间0.2sec/step，温度范围25℃~1200℃，温度间隔50℃，升温速度0.1℃/s，样品放置在刚玉坩埚中。1.3高温Raman借助JYU1000型拉曼（Raman）光谱仪研究石英纤维的晶体结构随温度的变化规律。从室温到1400℃。升温速率50℃/min，在每一测量温度点保温30min。2.实验结果及分析讨论（一定要处理好实验数据，做出规范的图表，尽量自己先分析一下，然后主动找老师指导，最后再修改完善）2.1TG/DSC分析结果图1为分析纯非晶态的SiO2试剂和表面清洗处理过的石英纤维在升温和降温过程中的TG/DSC分析结果。从图中对比可以看出分析纯非晶态的SiO2试剂和石英纤维的TG/DSC曲线相似，在升温到1500℃的过程中都没有明显的相变热；而在降温过程中，纯SiO2试剂和石英纤维分别在222.0℃和227.4℃有一个明显的放热峰，说明经过1500℃处理后，石英纤维晶化变成高温方石英，降温到该温度附近发生了相变，相变热分别为-20.87J/g和-23.94J/g，这与高温型方石英变转成低温型方石英的相变热相当。图1SiO2和石英纤维在升温和降温过程中的DSC曲线文献报道，在SiO2单相体系的各种同质异构晶型中（见图2），石英（-quartz）、鳞石英（-tridymite）和方石英（-cristobalite）是三种基本的晶型（见图3）。在这些基本晶型之间的转变是通过化学键的断开而重建新的结构。相变前后，两个变体的对称性及空间群不同，因而是重建式转变。这种相变的活化能较高，引起的体积变化较大，但相变的动力学过程缓慢。进一步的研究表明，只有存在某种矿化剂时，石英在867℃才会缓慢地变成稳定的鳞石英。而在每种基本结构的高温型与低温型之间的转变不需要断开和重建化学键，属于位移式转变。这种相变前后，整体结构没有发生根本变化，仅是M-O-M键角发生了变化，整体晶格变形，所以相变活化能较低，转变速度较快，体积上的变化较小。由于相变迅速，因而位移式相变是引起材料强度下降不可忽视的因素。图2SiO2的晶型转变图3硅氧四面体的结合方式(a)-方石英；(b)-鳞石英；(c)--石英在本实验的条件下，一方面升温速度很快，另一方面石英纤维的杂质含量很少，石英纤维转变成-鳞石英的可能性很小。石英纤维主要是非晶态的石英，在升温到1500℃的过程中，非晶态的石英逐渐转变成-方石英的结构，由于转变温度较宽，很难测出相变引起的吸热峰和放热峰。而从高温冷却下来时，-方石英容易发生位移式转变，即高温型方石英在200~270℃之间，通过晶格畸变转变成低温型方石英。在石英纤维复合材料的制备过程中，材料通常要加热到600~1000℃，并且长时间保温。为了考察在制备时的热处理条件下，石英纤维是否存在析晶和相变，本文对石英纤维分别加热到600℃，800℃，1000℃，恒温10小时，再降温，研究TG/DSC变化。实验结果见图4。从图中可以看出，在上述三个温度的升温和降温过程中没有明显的相变热峰，说明在石英纤维复合材料的制备过程条件下中没有相变发生。此外，在升温和降温过程中没有重量的变化，说明没有物质的挥发,即经过丙酮和乙醇超声清洗后，表面处理剂没有明显残留。图4石英纤维升温到不同温度保温10小时后再降温全过程的TG/DSC曲线2.2XRD分析结果从图5中对石英纤维高温XRD的分析结果同样可以看出，在室温到1200℃的升温和降温过程中，没有明显物相的变化。但是，从实验前后石英纤维的特征峰的半高峰宽变小，说明随着温度升高原来非晶态的石英纤维的结构有序化程度提高，而且这一过程在降温时并不完全可逆，即经过室温~1200℃热处理后，回到室温条件下，玻璃态石英纤维的结构有序化提高并部分保持到室温。图5石英纤维的高温XRD分析结果由图6为经过热处理保温2小时的石英纤维的室温XRD图谱。从图中可以看出，1200℃处理过的石英纤维在XRD谱上没有明显的-方石英衍射峰，1250℃开始有明显-方石英衍射峰，但原来非晶态的峰仍然存在，1300℃出现大量-方石英相,随着温度升高,-方石英相含量增加。说明石英纤维生成-方石英的温度在1250℃左右。图6不同温度处理2小时后石英纤维的室温XRD分析结果2.3高温Raman分析结果由于监测仪器和手段的限制，材料研究者们很难在高温（1600K或更高）条件下，用实时、无损的方法研究物质的微观结构。上海大学材料学院现已完成对原有JYU1000型拉曼（Raman）光谱仪的改造，配置了微区分析显微镜、1350型显微热台，实现了高温达到1600K的显微拉曼监测；通过从俄罗斯科学院引进光谱信号的时间分辨监测技术，可以实现2000K以下的宏观拉曼监测。该项技术在我国独具特色，在国际上亦属先进水平。高温拉曼技术的发展，使实时研究高温条件下的物质微观结构及其变化规律成为可能。这对许多在高温、高压或物理场（微波电磁场、电场等）作用下的物理化学反应的研究提供了有利的手段。高温拉曼技术可用于晶体生长、高温相变、冶金熔体结构、地质反应等的实时监测。这样既得到反应物和产物的结构信息，还可以获取反应中间体及其变化过程的信息，对高性能新材料的研究具有非常重要的意义。图7为石英纤维室温~1400℃的高温拉曼光谱，从图中可以看出，从室温~1200℃石英纤维纤维的分子结构仍然是近程有序、远程无序的非晶态（玻璃态）结构。当温度升高到1250℃以上时，石英纤维的分子结构已经完全改变，结合X