纳米TiO_2涂膜玻璃的力学性能研究

【摘要】：TiO_2 纳米薄膜是一种重要的无机功能材料,因其具有良好的光学、电学、化学保护等性能,所以越来越受到人们的关注,近年来在许多领域得到了广泛应用。 本文采用溶胶—凝胶法在玻璃表面制备了均匀的TiO_2 纳米薄膜。通过X射线衍射、原子力显微镜和纳米压痕等实验方法,研究了掺铈和未掺铈的TiO_2 薄膜的表面形貌、晶体结构和力学特性,并用有限元软件对表面压痕实验进行了模拟;同时对未涂薄膜以及涂覆不同层数薄膜的玻璃试样的力学性能进行了测试,探讨了纳米薄膜对玻璃基体表面增强增韧的作用机理。 研究结果表明随着热处理温度的升高,薄膜中锐钛矿型TiO_2 逐渐增加,当温度升高到600℃时,纯TiO_2 薄膜中部分锐钛矿相转变为金红石相,而铈离子掺杂的TiO_2 薄膜中并未发生锐钛矿相向金红石相的转变;TiO_2 薄膜的AFM 结果显示,TiO_2 薄膜颗粒大小在纳米尺度,并且薄膜表面平整,粗糙度小,Ce~(4+)掺杂后薄膜的结构更加致密,粒径变小;纳米压痕实验表明,涂膜玻璃表面的硬度和弹性模量随着TiO_2 薄膜涂覆层数的增加基本不变,Ce~(4+)掺杂后变化也不明显;玻璃基体的力学性能如弹性模量、抗拉强度、弯曲强度和断裂韧性随着TiO_2 薄膜涂覆层数的增加而提高,特别是Ce~(4+)掺杂后这种增强作用更为显著。