Microstructure of porous SiO2-Ta2O5-rich glass

Abstract

Glasses composed of 60 wt% sodium borate and 40 wt% (SiO2 + Ta2O5) were melted, phase-separated by heat treatment and leached. The ratio SiO2 : Ta2O5 was varied between 4 : 1 and 1 : 14.7 (by wt). The microstructure of the glasses in the various stages of development was characterized by means of x-ray diffractometry and analytical electron microscopy. Substitution of SiO2 by Ta2O5 up to a ratio SiO2 : Ta2O5 = 1 : 5 (by wt) produced clear glasses whereas higher fractions of Ta2O5 produced opaque glasses which include a crystal-like phase. The specific surface area of the porous skeleton showed a strong dependence on composition in the leached state; a maximum of 352m2g-1 was measured for a composition with the ratio SiO2: Ta2O5 = 1 : 1. Transmission electron micrographs at high resolution show phase contrasts, indicating partial structural ordering in tantalum-rich, heat-treated and leached glasses, resembling lattice fringe Images of a crystalline structure. However, electron diffraction patterns show only one single and remarkably sharp diffraction ring, indicating a one-dimensionally ordered paracrystalline state of aggregation for the insoluble phase. This observation is in contradiction with existing models of glass structures. The presence of sodium in the porous insoluble skeleton with approximate composition Na2Ta6O15Si2 is confirmed by combined EDS and EELS analyses. The development of a fully ordered crystalline phase was monitored by means of a high-temperature x-ray camera; tetragonal crystal symmetry is proposed for this phase.

Gläser der Zusammensetzung (Massengehalt in % ) : 60 Natriumborat und 40 (SiO2 + Ta2O5) wurden erschmolzen, durch Wärmebehandlung phasengetrennt und ausgelaugt. Die Gewichtsverhältnisse von SiO2 : Ta2O5 wurden zwischen 4 : 1 und 1 : 14,7 gewählt. Die Mikrostruktur der Gläser in den einzelnen Entwicklungsstadien wurde mittels Röntgendiffraktometrie und analytischer Elektronenmikroskopie charakterisiert. Die Substitution von SiO2 durch Ta2O5 bis zu einem Gewichts Verhältnis SiO2 : Ta2O5 = 1 : 5 ergab Klargläser, während bei höheren Tantalanteilen getrübte Gläser mit einer kristallähnhchen Phase beobachtet wurden. Im ausgelaugten Zustand zeigte die spezifische Oberfläche des porösen Skeletts eine starke Abhängigkeit vom Ta2O5-Gehalt; der höchste Wert von 352 m^2 g^-1 wurde bei einer Zusammensetzung mit dem Gewichtsverhältnis SiO2: Ta2O5 = 1:1 gemessen. Hochauflösende transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen von tantalreichen, wärmebehandelten und ausgelaugten Gläsern zeigen Interferenzstreifenkontraste, ähnlich der Netzebenenabbildung einer kristallinen Struktur, was auf einen strukturellen Ordnungszustand hindeutet. Elektronenbeugungsaufnahmen zeigen jedoch nur einen einzelnen und bemerkenswert scharfen Beugungsring, woraus auf einen eindimensional geordneten parakristallinen Aggregatzustand der unlöslichen Phase geschlossen wird. Diese Beobachtungen sind im Widerspruch zu bestehenden Modellen von Glasstrukturen. Die Anwesenheit von Natrium im porösen unlöslichen Skelett mit einer näherungsweisen Zusammensetzung Na2Ta6O15Si2 wird durch kombinierte EDS- und EELS-Analysen bestätigt. Die Entwicklung einer vollständig geordneten kristallinen Phase wurde mit Hilfe einer Hochtemperatur-Röntgenkamera verfolgt; tetragonale Symmetrie wird für die Struktur dieser Phase vorgeschlagen.