空心玻璃微球(Hollow glass microsphere,HGM)是激光惯性约束聚变(Inertial confinement fusion,ICF)实验中一种常用的燃料(氘氚)容器,同时也是一种优良的储氢容器。在这两种应用中,都需要将气体加载到玻璃微球中。对于储氢应用而言,还涉及到氢气的输运和释放。目前,玻璃微球进行充、放气的主要方法为热扩散法,该方法对微球的耐压强度要求较高,且具有耗时、耗能、高压等缺点。因此,开发一种便捷、高效、安全的气体加载或释放方式对于储氢领域和ICF实验显得十分重要。铁、钴、镍等过渡金属掺杂的碱硼硅酸盐玻璃具有光致释氢效应,能够在室温下通过光照大大提高气体在玻璃中的扩散速率。而钛作为过渡金属元素中的一种,也是一种潜在的光活性剂。同时,钛在ICF实验中能够作为诊断元素从而帮助判断靶丸内爆过程的情况。于是,本文采用干凝胶法制备了钛掺杂空心玻璃微球,研究了钛掺杂凝胶的制备与表征、对成球过程进行了计算与分析,对钛掺杂玻璃微球的组分、结构以及几何和形貌性质、耐压强度、阻气性能以及光致释氢效应进行了测试与分析。论文的主要研究内容和结论归纳如下:1.通过添加冰醋酸作为络合剂控制钛源的反应速率,并结合钛醇盐与硅醇盐独立预水解的方法解决了钛在碱硼硅酸盐溶胶体系中易分相的问题,在钛硅摩尔比为2%～20%的范围内制备出了均匀的掺钛溶胶。此外,还对溶胶和凝胶制备过程的工艺条件进行了优化。凝胶的结构测试表明随着掺钛浓度的增加,凝胶中分解温度更低的中间体化合物(Ti(OH)4-nOAcn)的百分含量增加。此外,当钛硅摩尔比达到10%时,凝胶在干燥过程中析出碱金属盐,同时醋酸的挥发大大增强。因此,掺钛凝胶中发泡剂浓度随着二氧化钛浓度的增加而降低,从而导致发泡效率降低。2.掺钛玻璃微球的结构、组分及其均匀性是由凝胶粒子的组分(发泡剂和氧化物)和成球过程的条件(温度、飞行时间)决定的。具体结论如下:(1)通过对成球过程进行分析和计算发现,凝胶粒子在炉内的停留时间随着尺寸的减小而增加。对发泡过程建立了一个简单的数学模型。通过该模型可以根据凝胶粒子的尺寸和发泡剂浓度对掺钛玻璃微球的壁厚和长径比进行预算。(2)通过干凝胶法在钛硅摩尔比为2%～20%的范围内制备了掺钛空心玻璃微球。当钛硅摩尔比达到5%时,同一批掺钛玻璃微球中出现了两种颜色的球:一种为无色透明,一种为蓝色透明。微球的直径和壁厚测试及分析表明,同一批凝胶粒子中,蓝色玻璃微球的凝胶粒子的平均尺寸比无色玻璃微球的凝胶粒子小。因此,蓝色玻璃微球在炉内的飞行时间比无色玻璃微球更长,从而导致其封装、发泡、精炼以及冷却时间增加。封装和发泡时间的增加使得蓝色玻璃微球的发泡效率更高,微球的壁厚更薄,长径比更大;精炼时间的增加导致玻璃中氧原子挥发形成氧空位和三价钛而着色,在400～2400nm波长范围产生较强的吸收,同时碱金属氧化物的挥发比例也大大增加,导致其在微球中的浓度更低;冷却时间的增加导致玻璃发生轻微的结晶和分相。无色玻璃微球的壁厚较大,长径比较小,玻璃中无氧空位,玻璃呈非晶态。(3)玻璃微球中碱金属氧化物的损失随着精炼温度以及凝胶粒子在炉内停留时间的增加而增加。盐析导致钛硅摩尔比高于10%的凝胶粒子和玻璃微球的批次均匀性大大降低。硅、硼、钛三种元素在玻璃中的均匀性相对较好,而锂、钠、钾在球壳面内和深度方向上均匀性相抵较差。3.掺钛玻璃微球的组分和结构决定了其几何和形貌性质、耐压强度和阻气性能。具体结论如下:(1)发泡剂的含量和存在形式决定了凝胶粒子的发泡效率,从而影响微球的几何参数。钛硅摩尔比达到10%以上的凝胶粒子因发泡剂的损失及分解温度的降低造成其发泡效率降低,进而导致玻璃微球的平均壁厚更厚,长径比更小。(2)氧化物组成决定了玻璃熔体的粘度和表面张力,进而决定了玻璃微球的精炼和均化质量,从而影响其形貌质量。二氧化钛浓度的增加以及高掺杂玻璃中碱金属氧化物的大量损失导致玻璃熔体的粘度大大增加,进而影响其精炼程度和对称化流动,最终导致球壳的表面粗糙度和球形偏离度增加。尽管玻璃微球的表面粗糙度和球形偏离度随着掺钛浓度的增加而增加,但满足ICF球形度要求的微球仍高达94%;满足ICF表面光洁度要求的微球为100%。(3)掺钛导致玻璃微球的球形偏离度增加,进而引起其耐压强度也降低。此外,蓝色玻璃微球中的氧空位和相界面提供了应力集中中心,造成其耐压强度比无色玻璃微球低。由于在玻璃微球中的二氧化钛大多数以网络形成体形式存在,且高掺杂玻璃中碱金属氧化物浓度降低,所以玻璃微球的阻气能力随着掺钛浓度的增加而降低。蓝色玻璃微球中的氧空位为气体扩散提供了通道,造成其渗透系数比无色玻璃微球大,阻气能力更差。(4)蓝色玻璃微球中的氧空位是一种可逆的结构缺陷,在500～600℃的空气气氛中进行退火可以对其进行消除,从而在一定程度上提高微球的耐压强度和阻气能力。4.蓝色玻璃微球因在400～2400nm波段对光源产生强吸收而具有光致释氢效应;相反,无色玻璃微球在该波段无吸收,不具有该效应。提出了“强振动中心”理论来解释光致释氢的作用机理。该理论认为,含有光活性剂的玻璃吸收光源所提供的能量后形成以光活性原子为中心的“强振动中心”,进而带动周围原子发生强烈振动,形成“强振动微区”。在“强振动微区”内部,一部分原子之间的距离大大缩短,另一部分原子之间的距离则大大增加。当“强振动微区”内原子的振幅足够大时,相邻的微区之间发生交叠,从而在玻璃内形成连通的气体扩散通道,导致球内气体快速释放。