日研發(fā)出具有橡膠特性的透明氧化物玻璃
導(dǎo)讀:柔韌的物質(zhì)能夠耐高溫,在工業(yè)和工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,然而,用氧化物制成的玻璃在常溫下既硬又脆,容易破碎。來自東京工業(yè)大學(xué)和橫濱朝日玻璃有限公司的科學(xué)家們研發(fā)了一種新的氧化物玻璃——混合堿偏磷酸鹽玻璃,在過冷液體狀態(tài)下拉伸時(shí)的表現(xiàn)與普通玻璃*不同。
稻葉誠司、伊藤和細(xì)野秀雄研究發(fā)現(xiàn)氧化物玻璃在軟、長、直鏈分子結(jié)構(gòu)方面與有機(jī)橡膠擁有相似的結(jié)構(gòu)特征。偏磷酸鹽玻璃像橡膠一樣,在接近“玻璃化轉(zhuǎn)變溫度”(在這個(gè)溫度點(diǎn)上,玻璃的狀態(tài)會(huì)發(fā)生從過冷液體到固體的改變)時(shí)會(huì)發(fā)生擴(kuò)張和收縮。
研究人員對一個(gè)過冷狀態(tài)下的偏磷酸鹽玻璃進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn),這個(gè)玻璃是由包含鋰、鈉、鉀、銫和氧化磷的混合堿金屬制成的。當(dāng)進(jìn)行加熱和拉伸時(shí),玻璃中的直鏈分子會(huì)變得具有高度的方向性,這時(shí)玻璃本身就變得和橡膠一樣。當(dāng)研究者將玻璃加熱到更高的溫度時(shí),它的尺寸會(huì)收縮百分之十幾,然后回到其原來的無序分子狀態(tài)。這個(gè)屬性被稱為“熵彈性”——玻璃顯示出此特性。
這種橡膠狀的氧化物玻璃可以在高溫、氧化環(huán)境中得到應(yīng)用,這類環(huán)境有機(jī)聚合物橡膠是無法應(yīng)對的。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將成果發(fā)表在2014年12月2日《自然材料》的網(wǎng)絡(luò)版上。
圖2 各向異性和各向同性的玻璃模型對比稻葉誠司和他的研究團(tuán)隊(duì)用化學(xué)成分是Li0.25Na 0.25K 0.25Cs 0.25PO3混合堿金屬偏磷酸鹽玻璃進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。這種氧化物玻璃是各向同性的,在室溫下既硬又脆,容易破碎,和普通玻璃是一樣的。然而,當(dāng)它被加熱到玻璃化轉(zhuǎn)化溫度Tg時(shí),然后冷卻進(jìn)入拉伸狀態(tài),玻璃就變成各向異性(晶體的各向異性即沿晶格的不同方向,原子排列的周期性和疏密程度不盡相同,由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學(xué)特性也不同)。
當(dāng)偏磷酸鹽玻璃在Tg附近進(jìn)行熱處理時(shí),它縮小了35%,但體積并沒有改變。此外,雖然許多材料如普通玻璃,陶瓷,金屬,當(dāng)受熱收縮時(shí)是放熱的,但該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的玻璃的在受熱收縮時(shí)是吸熱的。
偏磷酸鹽玻璃,其結(jié)構(gòu)類似于有機(jī)橡膠,表現(xiàn)出氧化物玻璃從未有過的一定程度的收縮性。而且由于其直鏈方向性和收縮后能恢復(fù)到初始結(jié)構(gòu),這些都顯示它的各向異性。
這項(xiàng)研究展示了氧化物玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu),如何使得它們在室溫下硬脆、容易破碎,而在高溫情況下卻能表現(xiàn)出橡膠一樣的拉伸性能。結(jié)果表明,這種玻璃可以在高溫、氧化環(huán)境中得到應(yīng)用,這類環(huán)境中不能使用有機(jī)聚合物橡膠。進(jìn)一步的研究可能會(huì)提高這種橡膠狀氧化物玻璃的性能,并促進(jìn)這類玻璃科學(xué)研究的發(fā)展。
(來源:科技日報(bào))
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