2025年 10期
先进玻璃材料：关键领域的透明基石
王静;彭寿;<正>玻璃是一种古老而又年轻的材料，早已超越了传统门窗容器的范畴，应用边界不断拓展，成为与人类文明息息相关的新材料。人类通过玻璃材料瞭望宇宙、注目微生物、掀起光通信革命。在科技浪潮的推动下，先进玻璃材料发展呈现出功能化、复合化、智能化、绿色化的鲜明趋势，正以前所未有的深度和广度，成为支撑信息时代、绿色能源、生命健康、航空航天、深海探测等关键领域发展的基础性、战略性材料。国际上，玻璃产业的创新主要由企业领导，如美国康宁、德国肖特、日本AGC、法国圣戈班等。国内先进玻璃材料研发体系以高校和科研院所为主体，形成了特色鲜明、优势互补的创新格局。
玻璃结构基因模拟法在成分?结构?性质双向模拟设计上的应用
张丽艳;王欣;陈树彬;胡丽丽;玻璃结构基因模拟(GSgM:Glass Structure gene Modeling)法，也称为玻璃成分–结构–性质模拟法(C–S–P法)，是一种将玻璃实测结构数据(红外、拉曼、核磁等)引入模拟方程，通过建立成分–结构(C–S)与结构–性质(S–P)模型搭建成分–结构–性质模拟平台，从而实现复杂玻璃体系的成分?结构?性质双向模拟设计的实用方法。该方法将玻璃看作由一组网络结构单元组成，每个网络单元具有统计上独特的结构特征，并且成比例地影响整个玻璃性质。详细阐述了GSgM法的理论基础及建议玻璃配方设计方法与结构数据解析方法，给出了C–S、S–P及S–C模型的建模过程及模型含义，并通过其在核废固化玻璃及激光玻璃模拟设计中的应用实例，逐一演示了该模拟方法的使用效果。
改进的Wasserstein生成式对抗网络用于氧化物玻璃电学性能的数据增强建模
田静;李苑;官敏;郑际杰;储静远;刘涌;韩高荣;随着氧化物玻璃在电子信息领域的应用日益广泛，其电学性能作为关键性指标也愈发受到重视。尽管数据驱动的机器学习方法在玻璃性能预测中已取得显著进展，但其在小数据集场景下的应用仍面临挑战。针对氧化物玻璃电学性能数据不足的核心问题，引入带梯度惩罚项和组分惩罚项的改进Wasserstein生成式对抗网络(WGAN-GP-CP)，构建了适用于玻璃材料的数据增强框架，并设计了新型样本质量评估方式。该框架在生成器损失函数中引入组分惩罚项，能够生成高质量的合成样本，有效扩展现有数据集。对比研究表明，数据增强显著缓解了模型过拟合问题，同时显著提升其泛化能力。基于建立的组分–性能预测模型，通过SHAP单特征分析和特征交互分析进一步揭示了氧化物组分特征对玻璃电学性能的影响机制及特征间的交互作用。以上结果不仅为氧化物玻璃电学性能预测提供了可靠的模型支持，更为数据稀缺场景下高性能数据驱动模型的开发提供了新思路。
Li2O-ZnO-MgO-Al2O_3-SiO2微晶玻璃析晶行为和性能
王浩铭;李路瑶;王静;韩建军;储静远;采用熔融-热处理法制备了Li2O-ZnO-MgO-Al2O_3-SiO2(LZMAS)微晶玻璃，研究了Li2O含量从0～6%(摩尔分数)对玻璃的结构、析晶行为及性能的影响。结果表明：Li2O含量增加，玻璃网络聚合度和析晶活化能呈现降低的趋势。不含Li2O的微晶玻璃析出晶相只有尖晶石晶相及SnO2；当Li2O含量为2%时，则有β-石英固溶体和尖晶石晶相形成。随着Li2O含量继续增加到4%,β-锂辉石晶相出现，β-石英固溶体晶相消失。Li2O含量为2%的基础玻璃在850℃晶化2 h后，晶粒分布均匀且尺寸较小，平均晶粒尺寸为28 nm，具有较高的可见光透过率～84%，且维氏硬度及弯曲强度分别可以达到8.62 GPa、199 MPa。这种材料具备优异的光学及力学性能，在光电元件、透明装甲等领域具有重要的应用价值。
Nd3+掺杂磷酸盐激光玻璃结构与性能的定量预测
沈毅鸿;吴敏波;伦振杰;左笛;陈东丹;钱奇;董国平;杨中民;Nd3+掺杂磷酸盐玻璃因其较大的受激发射截面、高效能量转换效率以及高能量存储密度，在激光武器、光通信和生物医疗等前沿领域具有重要的应用前景。然而，稀土离子掺杂激光玻璃的研发主要依赖经验引导、简单循环的“试错法”模式，存在研发效率低、周期长、成本高等问题，严重阻碍了激光玻璃材料及器件的发展。以Nd3+掺杂Li2O-MgO-Al2O_3-P2O5玻璃为研究对象，利用玻璃组分空间中的邻近玻璃态化合物(NGCs)来预测玻璃的Nd3+局域结构特征和发光性能。研究表明，在该玻璃体系中，通过NGCs预测的Nd3+局域结构特征参数与分子动力学模拟结果高度一致；在发光性能方面，通过NGCs预测的荧光寿命和受激发射截面值与实验值的最大相对误差仅分别为6.19%和1.72%。基于此方法，成功筛选出了荧光寿命长、受激发射截面高的Nd3+掺杂磷酸盐激光玻璃组分。该研究为新型激光玻璃的组分设计提供了一条快速、低成本、高效的新方法。
氯化锌溶液浸泡改善微晶玻璃表面化学稳定性
曹生硕;刘艳;罗良红;李玫;谢耀英;张驰;黄雪梅;针对化学强化后的微晶玻璃表面化学稳定性欠佳的问题，探究了氯化锌溶液浸泡处理对其表面化学稳定性的影响。通过扫描电子显微镜与能谱仪，分析了浸泡前后样品中钠、钾元素的分布状态；运用原子力显微镜，表征了不同条件下浸泡处理对样品表面状况的影响。通过高温高湿箱内的玻璃风化加速实验观察样品发霉情况，并据此评估了各种条件下浸泡对微晶玻璃表面化学稳定性的改善效果，并分析了其机理。结果表明：氯化锌溶液浸泡能够有效降低表面碱金属含量，并抑制内部碱金属离子外迁，显著提升微晶玻璃表面化学稳定性。同时，样品通过浸泡还可有效地提高强化后微晶玻璃的抗冲击性能，尤其是98℃下，在0.05 mol/L的氯化锌溶液中浸泡3.5 h后，其最大冲击高度平均值约为1600 mm(钢球质量为132 g)，为未作处理样品的1.5倍。
基于实验、分子动力学模拟和QSPR分析的玻璃力学性能机器学习模型
严静萍;王飞梅;李波源;邓路;胡丽丽;硅酸盐玻璃被广泛应用于建筑窗户、电子设备、光学器件、核废料处理和日用品等领域。随着科技的发展，当代社会对新型玻璃材料的性能要求越来越高，其中，力学性能直接影响其使用寿命、安全性和功能性，因而得到了广泛关注。鉴于玻璃组成的复杂性，传统的试错法已经难以满足新材料的快速开发需求；另一方面，随着计算机技术的不断进步，运用材料计算方法设计满足应用需求的玻璃组成成为新型玻璃研发的又一选择，并逐渐在新型玻璃材料的快速迭代中起到越来越关键的作用。本文围绕多组分硅酸盐玻璃，以力学性能为主要目标，结合实验数据、分子动力学模拟和定量结构性能关系分析法，构建了3种机器学习预测模型：1)基于实验测得数据的玻璃密度预测模型；2)基于实验密度数据，运用分子动力学模拟计算获得性能数据所构建的玻璃杨氏模量预测模型；3)以少量实验数据为基础，运用QSPR方法进行数据增强采样所构建的玻璃硬度预测模型。通过实验制备和测试，进一步验证模型预测所得玻璃组成的相关性能，证明了模型预测的有效性。这为基于机器学习的玻璃性能预测提供了新思路，有助于加快新型高性能玻璃的研发进程。
热处理温度对Fe3O4纳米微晶玻璃显微形貌和吸波性能的影响
崔世宁;阮健;胡巨臣;田晨;韩建军;刘超;采用熔体–淬冷法和热处理制备了含有花状Fe3O4纳米晶的硅酸盐微晶玻璃，并研究了热处理温度(620～740℃)对显微结构、电磁参数和吸波性能的影响。结果表明：随着温度升高，Fe3O4晶粒逐渐增多，而它们聚集形成的花状结构尺寸先增大，后减小。饱和磁化强度Ms逐渐由5.2增至9.5 emu/g，但回波损耗先增强，后降低。其中，当热处理温度为700℃时，Fe3O4花状结构尺寸最大，吸波性能较佳。当材料厚度为7 mm时，回波损耗最低达–18 dB，有效带宽为2 GHz(14～16 GHz)。根据经典Debye方程和Cole-Cole图像分析，较大的花状纳米结构加强了电磁波在微晶玻璃中传输时的反射和散射，引起介电损耗增加并形成更好的阻抗匹配，从而使材料表现出更佳的吸波性能。
基于拉曼光谱数据挖掘的石英玻璃均化机制
周利生;孙元成;杜秀蓉;王思雨;刘星;陈志威;孙鹏博;杨雅楠;李莹江;李星宇;石英玻璃作为光电子领域的关键基础材料，其微观结构状态及分布对使用性能至关重要。通过对石英玻璃样品高温均化处理，利用拉曼光谱表征均化前后的结构变化，并借助主成分分析(PCA)进行数据分析。结果表明，均化前样品峰中心离散，表面结构不均一；均化后数据点分布集中，结构均一性增强，拉曼位移数据离散程度显著降低，各峰指标标准差减小，其中对D2峰相关指标影响最大。同时利用PCA算法进行数据降维可视化，对于峰中心及半峰宽的变化分析结果，在整个均化过程中，D2峰的变化是引导整个数据发生变化的主要因素。本工作揭示了均化工艺对材料热应力分布与微观结构的空间异质性调控机制，为获取准确物质结构和成分信息、优化材料性能提供了依据。
La2O_3-B2O_3-CaO-P2O5玻璃/Al2O3复合低温共烧陶瓷材料介电性能优化
曹禹;徐博;韩滨;朱宝京;吕子彬;陈玮;王衍行;祖成奎;低温共烧陶瓷(LTCC)是高频、高集成、高可靠封装的基础材料之一。本工作以La2O_3-B2O_3-CaO-P2O5(LBCP)玻璃体系为基础，Al2O3粉体为添加物，研究了复合材料的介电性能改善方法，并用于LTCC生瓷制备。研究发现，在LBCP玻璃中引入碱金属氧化物可以促进玻璃网络解聚，调节玻璃的析晶性能。生瓷烧结中LBCP玻璃与Al2O3会反应析出CaAl2(BO3)2O为主的多种晶相。引入Na2O可以促进复合材料中CaAl2(BO3)2O的析出，提高熟瓷介电性能；降低烧结升温速率使生瓷充分烧结，增加CaAl2(BO3)2O析出，进一步优化熟瓷的介电性能，最终得到介电常数为6.70，介电损耗为0.80×10–3的LTCC材料，可满足高频、高集成电子封装对LTCC基板材料的配套需求。