鋁酸鈣準二元玻璃硬度和抗碎裂性組成依賴的結構起源探究

王 琰，高運周，陶海征，顧少軒

(1．武漢理工大學，硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.四川神光石英科技有限公司，綿陽 621700)

0 引 言

鋁酸鈣(CaO-Al2O3)玻璃光學性能良好，紅外截止波長可達6 μm，是紅外窗口和光存儲等多個領域的理想材料之一[1-2]。然而，鋁酸鈣熔點高，熔體冷卻過程中極易析晶，傳統熔融淬冷法制備的鋁酸鈣玻璃組分范圍極窄[3]。與傳統熔融淬冷法相比，激光加熱氣動懸浮技術可以提供高達3 000 ℃以上的溫度，同時可有效避免容器壁與樣品接觸導致的非均勻成核，有效拓展了鋁酸鈣玻璃的成玻區間[4-5]。武漢理工大學研究團隊[5]采用激光加熱氣動懸浮技術成功制備了系列鋁酸鈣玻璃，并表征了其黏溫關系等熱物理特性。

玻璃作為一種高硬易碎材料，在實際應用中存在許多問題，如何有效提高玻璃的抗碎裂性而不損害玻璃的高硬度是該領域亟待解決的一個科學難題。Januchta等[6]研究了Li2O-Al2O3-B2O3玻璃的抗碎裂性，發現在施加載荷過程中鋁和硼都可以通過配位數的改變來消耗部分載荷，進而有效提高玻璃的抗碎裂性；Ke等[7]研究了MgO-Al2O3-SiO2玻璃的力學性能，發現施加載荷過程中鎂和鋁配位數的變化有效耗散了沖擊載荷，玻璃的抗碎裂性顯著提高。隨著鍵能密度的增加，玻璃的硬度也同時提高。在鋁硅酸鹽玻璃中，鋁一般作為網絡中間體存在，而在鋁酸鈣玻璃中，鋁是唯一的網絡形成體。因此探究鋁酸鈣玻璃硬度和抗碎裂性的結構起源對闡明鋁作為網絡形成體時的作用具有一定的科學意義。……