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日本研发出具有橡胶特性的透明氧化物玻璃

2019-10-08 22:13:44来源:励志吧0次阅读

图1 当各向异性的玻璃在进行热处理时,纵向收缩率高达35%

中国科技网12月3日报道(张微)柔韧的物质能够耐高温,在工业和工程领域有着广泛的应用,然而,用氧化物制成的玻璃在常温下既硬又脆,容易破碎。来自东京工业大学和横滨朝日玻璃有限公司的科学家们研发了一种新的氧化物玻璃——混合碱偏磷酸盐玻璃,在过冷液体状态下拉伸时的表现与普通玻璃完全不同。

稻叶诚司、伊藤和细野秀雄研究发现氧化物玻璃在软、长、直链分子结构方面与有机橡胶拥有相似的结构特征。偏磷酸盐玻璃像橡胶一样,在接近“玻璃化转变温度”(在这个温度点上,玻璃的状态会发生从过冷液体到固体的改变)时会发生扩张和收缩。

研究人员对一个过冷状态下的偏磷酸盐玻璃进行了拉伸实验,这个玻璃是由包含锂、钠、钾、铯和氧化磷的混合碱金属制成的。当进行加热和拉伸时,玻璃中的直链分子会变得具有高度的方向性,这时玻璃本身就变得和橡胶一样。当研究者将玻璃加热到更高的温度时,它的尺寸会收缩百分之十几,然后回到其原来的无序分子状态。这个属性被称为“熵弹性”——玻璃首次显示出此特性。

这种橡胶状的氧化物玻璃可以在高温、氧化环境中得到应用,这类环境有机聚合物橡胶是无法应对的。研究团队已经将成果发表在2014年12月2日《自然材料》的网络版上。

图2 各向异性和各向同性的玻璃模型对比

稻叶诚司和他的研究团队用化学成分是Li0.25Na 0.25K 0.25Cs 0.25PO3混合碱金属偏磷酸盐玻璃进行了实验。这种氧化物玻璃是各向同性的,在室温下既硬又脆,容易破碎,和普通玻璃是一样的。然而,当它被加热到玻璃化转化温度Tg时,然后冷却进入拉伸状态,玻璃就变成各向异性(晶体的各向异性即沿晶格的不同方向,原子排列的周期性和疏密程度不尽相同,由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同)。

当偏磷酸盐玻璃在Tg附近进行热处理时,它缩小了35%,但体积并没有改变。此外,虽然许多材料如普通玻璃,陶瓷,金属,当受热收缩时是放热的,但该团队开发的玻璃的在受热收缩时是吸热的。

偏磷酸盐玻璃,其结构类似于有机橡胶,表现出氧化物玻璃从未有过的一定程度的收缩性。而且由于其直链方向性和收缩后能恢复到初始结构,这些都显示它的各向异性。

这项研究展示了氧化物玻璃的内部结构,如何使得它们在室温下硬脆、容易破碎,而在高温情况下却能表现出橡胶一样的拉伸性能。结果表明,这种玻璃可以在高温、氧化环境中得到应用,这类环境中不能使用有机聚合物橡胶。进一步的研究可能会提高这种橡胶状氧化物玻璃的性能,并促进这类玻璃科学研究的发展。

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