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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发团队在《Journal of the American Ceramic Society》发表了题为“Topological models of yttrium aluminosilicate glass based on molecular dynamics and structure characterization analysis”（基于分子动力学和结构表征分析的钇铝硅酸盐玻璃拓扑模型）的论文。
↓论文链接↓
https://ceramics.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jace.20118
钇硅酸铝玻璃（Yttrium aluminosilicate glasses）被认为是一种具有高弹性模量、抗划伤、适合化学强化和大尺寸制备等特点的代表性高强度玻璃材料，广泛应用于电子信息产品、航空透明部件、船舶和特种车辆的观察窗。由于表征技术的局限性以及多种氧化物间的复杂相互作用，特别是对于具有多种配位结构的中间体氧化物，难以完全获知钇铝硅酸盐玻璃的详细结构分析以及钇在玻璃结构中的作用。
此外，钇铝硅酸盐玻璃的化学计量和熔融技术的不断改进促进了高强度玻璃发展，而实验制备方法限制了其发展和应用速度。开发具有理想功能的玻璃组分及玻璃性能预测模型是突破传统玻璃制备方法的有效手段。
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利用分子动力学和实验表征结合的方法探究了钇硅酸铝玻璃中多种原子结构信息，阐述了钇铝硅玻璃组分-结构-性能关系，并以拓扑束缚理论为基础建立钇硅酸铝玻璃的转变温度、硬度和弹性模量性能预测模型，研究取得的成果如下：
研究成果：
1. 依靠红外光谱、拉曼光谱、核磁共振和XPS表征技术确定了不同含量氧化钇对铝硅玻璃网路结构的影响[图1]，氧化钇的引入可以降低玻璃网络结构联结性，增加网络结构中非桥氧含量，但同时高场强的Y3+可以提高玻璃原子堆积密度，增强玻璃抗裂纹扩展能力；
2. 通过分子动力学模拟方法详细描述出多种原子的化学环境及其配位情况，确定Y3+离子作为玻璃网络改性剂，结合实验表征数据证明分子动力学模拟结果的准确性，确定了Y3+在铝硅玻璃中的配位数变化规律；
3. 利用分子动力学模拟和实验表征分析的精细玻璃结构信息，结合拓扑结构束缚理论建立了玻璃转变温度、硬度和弹性模量的性能预测模型[图2]，定量分析出不同氧化物对玻璃性能的影响权重；
4. 拓扑束缚理论预测模型可拓展用以解析多种体系玻璃成分、结构和性能之间关系，此外，仅凭少量实验结果即可预测玻璃的多种性能，这将大大节省实验时间和成本，为未来新玻璃产品的开发提供一种有效的策略。
图1 玻璃结构解析图（a）27Al MQMAS NMR；（b）钇铝硅玻璃拉曼谱图；（c）29Si MAS NMR光谱;（d）钇铝硅玻璃的XPS O1s光谱。
图2 （a）分子动力学模拟玻璃结构示意图；（b）玻璃Si-O键径向分布函数；（c）不同氧化钇浓度下阳离子与氧离子配位数变化情况；（d）拓扑束缚理论-玻璃转变温度性能预测模型。
主要创新点：
通过分子动力学模拟和实验表征相结合的方法确定了钇铝硅玻璃结构中多种原子化学环境及配位情况，基于拓扑束缚理论建立了玻璃转变温度、硬度和弹性模量预测模型，依据简单玻璃组分和实验结果实现玻璃多种性能泛预测，为快速高效设计开发新型体系玻璃提供新策略。
研究团队简介：
总院北分王衍行团队主要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。近年来共承担国家、省部级科研项目9项；发表学术论文65篇，其中SCI/EI收录38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，中国建材集团技术进步一等奖两项，有力推动了总院高强韧玻璃学科发展。
