NIMS和JASRI觀測玻璃轉變爲更硬、更不易破裂材料的初期過程

  4月19日,日本國立材料科學研究所(NIMS)和高強度光子科學研究中心(JASRI)一同宣布,他們成功地觀察到了玻璃部分結晶化、轉變成強度與耐熱性較高之「玻璃陶瓷(glass ceramic)」材料的早期階段過程。更進一步地以X射線多尺度結構分析後,團隊提出可以解釋玻璃中晶核從原子級到奈米級尺度之生成機制的模型。

  透過控制組成並在適當的條件下對合成的玻璃進行熱處理,可以獲得在玻璃中析出細晶顆粒的玻璃陶瓷材料。這種材料不僅保留了玻璃特有的透明性和絕緣性,同時還具有不易破裂、耐快速溫度變化等原本玻璃的缺點。製造玻璃陶瓷合成最一般的手法為,透過添加少量的成核劑有效地產生微小結晶粒子,這些數奈米的微小結晶粒子在結晶化中發揮重要作用。惟過去並沒有針對玻璃中微小結晶粒子生成的早期過程,特別是在混亂無序結構中超越最鄰近原子間的中距離結構尺度進行觀測。因此,研究團隊鎖定以含有少量氧化鋯(ZrO2)作為成核劑之鋁矽酸鹽為原料進行的熱處理結晶化實驗來調查。

  研究團隊首先比較了不同階段X射線的散射數據來觀察,發現與鋯元素相關的結構在熱處理過程中會發生變化,特別是解析鋯元素周圍的奈米級中距離空間,發現鋯元素透過氧元素與矽元素、鋁元素結合,共享以鋯元素為中心之多面體和以矽或鋁為中心之四面體的邊緣,是一般玻璃中所沒有的構造。並且研究團隊觀察到隨著熱處理的進行,這個共享邊緣的構造也隨之增加。研究團隊針對晶核生成的機制提出了假設。

  在奈米尺度中,玻璃存在富含與缺乏鋯元素之區域分離的現象,而熱處理促進微小結晶粒子在富含鋯元素之區域的生成,進一步加劇了此一分離現象。另一方面,在最鄰近原子間尺度到中距離尺度,熱處理會導致鋯元素聚集形成奈米級大小的氧化鋯晶格重複性結構,並充當結晶化過程中的晶核。研究團隊的假設模型不僅可以解釋本次所取得的觀測數據,也和過去採用其他手法的晶核理論研究的結果並無矛盾。

  所提出的結構變化模型不僅可以解釋本研究中進行的所有結構測量數據,還可以解釋先前研究中使用其他方法進行的奈米級結構測量以及玻璃中晶體成核理論的假設。

  這項研究的結果闡明了在無序原子排列中創造秩序的過程,而這個過程迄今很難觀察到。在已被廣泛研究的微晶玻璃研究領域,我們的目標是提供有關玻璃中晶核形成機制的新知識,與先前發表的研究結果一致。

  此外,本研究中使用的結構分析方法可以應用於觀察具有複雜成分和無序原子排列的實際材料中特定元素周圍的結構。此次建立的以元素選擇性測量為中心的多尺度結構分析方法將增進我們對各種實用材料的結構與物理性能之間關係的理解,並有望進一步激發新型高性能材料的合成。

 

資料來源:mynavi新聞(2024-04-22)

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