红外光谱分析技术简介

3.2.3.1　不同MgO质量分数微晶玻璃的红外光谱分析

在本实验条件下，不同MgO质量分数的微晶玻璃红外光谱分析结果如图3.8和表3.4所示。从图3.8可以看出，随着MgO质量分数的增加，红外光谱中各质点的振动频率发生了明显的偏移，各吸收带的振动频率相对增强，某些吸收带有变窄和分裂的趋势。

图3.8　不同MgO质量分数的微晶玻璃红外光谱分析

表3.4　不同组成的微晶玻璃红外谱带位置及其归属

链状硅酸盐晶体的红外光谱主要是由Si－O链状基团的振动模式构成。辉石的理想结构如图3.9所示［160］，辉石类晶体的基本特点是链状结构，［SiO4］4－四面体借共用4个角顶中的2个角顶氧离子连接起来，形成（SiO3）n的连续链，沿着链延长方向的重复距离约为5.2Å，在横向上，通过阳离子（Ca2＋、Mg2＋、Al3＋）连接。标记为M1和M2，M1原子基本上位于（SiO3）n链的四面体顶角之间，而M2原子大体上位于链的四面体底面之间。

①在1 100～850 cm－1振动区有3个较为明显的吸收带，吸收带发生了聚合与分裂现象，1 014 cm－1吸收带的振动频率与928 cm－1吸收带的振动频率呈先合并后分裂的趋势。随着MgO质量分数的增加，该谱带的振动频率逐渐向低频方向移动，使Si－O键键长受到了影响。从图3.9可以看出，Mg2＋离子主要占据M1位置，Ca2＋离子主要占据M2的位置，Mg2＋离子的电负性为1.2，Ca2＋离子电负性为1.0，Mg2＋离子电负性大于Ca2＋离子，因而随着MgO质量分数的增加，Mg2＋离子进入晶相中的浓度增大，造成Si－O－Si平均键长增长，使微晶玻璃的析晶相由硅灰石向普通辉石过渡，并且使微晶玻璃的性能发生较大的变化。

图3.9　辉石族晶体结构示意图

②在850～600 cm－1振动区有2个明显的吸收带，随着MgO质量分数的增加，该振动区吸收带的频率逐渐向低频方向移动，说明Si－O－Si键角逐渐变大。

③在600～400 cm－1振动区有2个明显吸收带，随着MgO质量分数的增加，该振动区的谱带频率逐渐向低频方向移动。Al3＋离子的不同配位数对Al－O振动频率有较大的影响，四配位的Al－O振动频率低于600 cm－1，六配位的Al－O振动频率高于750 cm－1。由图3.8可见，当MgO质量分数为19.05%时，由红外光谱分析发现有高于四配位的铝出现，因而Al3＋离子不但占据四面体配位位置，而且有部分占据着六配位位置，这与图3.5的结果相一致。

不同MgO质量分数对吸光度的影响如表3.5所示。由表3.5可知，随着MgO质量分数的增加，微晶玻璃的吸光度增大，晶体析出量增加，这与X线衍射的结果相一致。

表3.5　1 057 cm－1吸收带频率与MgO质量分数之间的关系

不同MgO质量分数对结晶度指数的计算结果如表3.6所示。由表3.6可知，随着MgO质量分数的增加，结晶度指数相对增大，说明晶体内部有序程度以及析晶的完整程度增加。但与未加入MgO的微晶玻璃结晶度指数相比，结晶度指数较小。

表3.6　680cm－1吸收带频率与MgO质量分数之间的关系

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综上所述，加入MgO对微晶玻璃的析晶行为影响较大，随着MgO质量分数的增加，各振动区吸收带有分裂与合并的趋势，说明进入玻璃相中的Mg2＋起到积聚作用，使硅氧四面体中的Si－O－Si键对称伸缩振动频率增强，反对称伸缩振动频率减弱，同时使玻璃相结构的对称性增加，导致各振动频率的吸收带出现分裂谱带。随着MgO质量分数的增加，微晶玻璃内部质点间的键长和键角增大、结晶度指数相对增大，晶体结构的有序程度及完整程度增强，将有利于提高微晶玻璃的显微硬度和抗折强度。

3.2.3.2　不同Fe2O3质量分数微晶玻璃的红外光谱分析

在本实验条件下，不同Fe2O3质量分数的微晶玻璃红外光谱分析结果如图3.10和表3.7所示。

图3.10　不同Fe2O3质量分数微晶玻璃的红外光谱分析

表3.7　不同组成的微晶玻璃红外谱带位置及其归属

①在1 100～850 cm－1振动区有3个较为明显的吸收带，各吸收带聚合与分裂趋势明显，1 014 cm－1吸收带的振动频率与928 cm－1吸收带的振动频率先合并后分裂。随着Fe2O3质量分数的增加，该吸收带的振动频率逐渐向高频方向移动，导致Si－O键键长缩短，晶体内部的Si－O－Si键的键强增强，有利于提高微晶玻璃的硬度和抗折强度。

②在850～600 cm－1振动区有2个较为明显的吸收带。随着Fe2O3质量分数的增加，该谱带的位置发生了偏移，振动频率逐渐向低频方向移动，说明Si－O－Si键键角逐渐增大，晶体内部的对称性增强，有利于提高微晶玻璃的硬度和抗折强度。

③在600～400 cm－1振动区有2个明显的吸收带。随着Fe2O3质量分数的增加，2个吸收带振动频率明显减弱，由试样的红外光谱分析发现均有高于四重配位铝出现，Al3＋离子不但占据四面体配位位置，而且有部分Al3＋离子占据着六配位位置，这与图3.7的结果相一致。

Fe2O3质量分数对微晶玻璃吸光度的影响如表3.8所示。由表3.8可知，随着Fe2O3质量分数的增加，微晶玻璃的吸光度和晶体析出量先减小后增大，这与图3.7的结果相一致。

表3.8　1 057 cm－1吸收带频率与Fe2O3质量分数之间的关系

Fe2O3质量分数对微晶玻璃结晶度指数的影响如表3.9所知。由表3.9可知，随着Fe2O3质量分数的增加，微晶玻璃的结晶度指数呈先减小后增大的趋势，晶体内部有序程度以及晶体生长的完整程变化较大。

表3.9　640 cm－1吸收带频率与Fe2O3质量分数之间的关系

综上所述，红外光谱分析表明，在本实验条件下，加入Fe2O3对微晶玻璃的析晶行为有着较大的影响。

①随着Fe2O3质量分数的增加，微晶玻璃内部质点间的Si－O－Si键的键长缩短、键角增大，将有利于提高微晶玻璃的性能。

②随着Fe2O3质量分数的增加，微晶玻璃的吸光度增大，晶体内部的有序程度增加。