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中国建筑材料科学研究总院有限公司、建材行业特种玻璃制备与加工重点实验室研究团队在《Ceramics International》发表了题为“Topological understanding of the influence of mixed alkali components on the structure and properties of aluminosilicate glass” (混合碱组分对铝硅酸盐玻璃结构和性能影响的拓扑认知)的论文。
↓论文链接↓
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884224017668
论文综述：
铝硅玻璃（Aluminosilicate glasses）是一种含有多种碱金属、碱土金属和稀土元素氧化物组分，凭借高化学稳定性和高透光率广泛应用于航空航天、智能电子、建筑材料、汽车和船舶风挡等领域的高强韧玻璃材料。玻璃组分及配比的改变对玻璃结构具有重要影响，同时玻璃结构的改变也会引起玻璃力学、热学和光学性能的改变。通过研究不同碱金属氧化物种类及含量对玻璃结构的影响，探究玻璃组分-结构-性能关系，对于高强韧铝硅玻璃的发展具有重要意义。
为此，建材行业特种玻璃制备与加工重点实验室王衍行团队探讨了铝硅玻璃的混合碱组分中氧化钠和氧化锂对玻璃结构中桥氧和非桥氧比例数量的影响，结合拓扑束缚理论确定了钠离子与锂离子对玻璃转变温度、硬度的束缚强度数值，阐释了含氧化钠和氧化锂的铝硅玻璃中混合碱效应的成因，开发了玻璃转变温度和硬度性能预测模型。研究取得的成果如下：
研究成果：
1. 利用红外光谱、拉曼光谱、核磁共振和XPS等表征技术确定了不同含量氧化钠和氧化锂对铝硅玻璃网路结构的影响[图1]，氧化锂和氧化钠的引入会破坏玻璃网络结构，增加玻璃结构中非桥氧和自由氧离子数量，对玻璃结构具有解聚作用。
2. 通过拓扑结构束缚理论确定了氧化锂和氧化钠在不同温度条件下对玻璃结构的束缚强度数值，束缚强度分别是qr, Li(T = 25°C) = 0.7, qr, Na(T = 25°C) = 0.84, qμ,Li(T = Tg) = 0.7和qμ, Na(T = Tg) = 0.9，模型预测的转变温度和硬度数据与实验测量值一致性良好[图2]。
3. 由硬度预测模型可以推断出具有高硬度的铝硅玻璃组分，根据转变温度预测模型可以推测出不同组分铝硅玻璃的热学性能，以此可指导新型高强韧玻璃组分设计。
4. 根据拓扑结构束缚理论模型，在单一的碱金属氧化物组分玻璃中，碱金属离子与氧离子之间的刚性化学键在临界温度处消失。这一现象通过降低Na,Li-O-Al,Si的角约束强度而反映在拓扑结构上，从而导致了玻璃网络结构的解聚。然而，在混合碱玻璃组分中，碱金属离子之间对氧离子的竞争会部分地阻止了玻璃结构交联度的降低，从而导致了混合碱效应。
图1. 玻璃结构解析图，(a)27Al MQMAS NMR，(b)不同配位形式的[AlO4]四面体结构示意图，(c)玻璃中[SiO4]四面体的Qn分布谱，(d)铝硅玻璃中桥氧、非桥氧和自由氧离子的比例，(e)玻璃的XPS O1s光，(f)29Si MAS NMR光谱
图2. （a）玻璃转变温度和（b）维氏硬度的实验测量值和TCT模型计算值
主要创新点：
通过红外、拉曼光谱、核磁共振和XPS等表征手段确定了不同含量氧化钠和氧化锂对铝硅玻璃网路结构的影响，定量分析了玻璃网路结构中非桥氧和桥氧的比例变化情况，结合拓扑束缚理论阐释了铝硅玻璃中混合碱效应在转变温度、硬度、膨胀软化点和热膨胀系数方面表现不一致的原因，并建立了铝硅玻璃转变温度和硬度预测模型，为高强韧铝硅玻璃的发展提供了理论支撑。
团队简介：
总院北分王衍行团队自成立以来一直从事高强韧玻璃材料设计、玻璃复合增强增韧技术及极端环境性能表征与服役寿命预测等研究工作。近年共承担国家级、省部级科研项目9项；发表学术论文56篇，其中SCI/EI收录30篇；授权发明专利52件，其中美国发明专利1件；获得软件著作权13项；主持制定国标/行标等标准6项。研究成果获得中国硅酸盐学会建筑材料技术发明一等奖1项，有力推动了建材总院高强韧玻璃学科发展。
