【纳米】自散纳米陶瓷颗粒强化玻璃

来源：X一MOL资讯

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

玻璃是重要的无机非金属材料，因其优良的光学性能、力学性能、化学稳定性等，广泛应用在建筑、日用、艺术、化学、电子、仪表等领域。然而，由于玻璃本身的脆性，依然限制其应用。现如今有很多增强的方法，例如热强化、化学强化、涂层强化等，但是力学性能仍然有待提高。

近些年来，纳米陶瓷颗粒强化金属一直是研究热点。通过均匀分散的纳米颗粒能大幅度提高金属复合材料的强度，甚至接近其理论强度。在陶瓷领域，纳米颗粒强化陶瓷复合材料也是研究多年。然而，遇到一个难以解决的共性问题就是如何将纳米颗粒均匀分散在金属或者陶瓷基体中。传统的分散方法，例如球磨、超声、高速剪切等，对纳米颗粒的分散效果都很有限，难以做到稳定的均匀分布。因此，大大降低了强化效果以及可靠性。

加州大学洛杉矶分校的李晓春教授提出纳米陶瓷颗粒在金属熔体中的自散理论，为纳米颗粒强化金属提供了新的方法。同时，也启发了其在玻璃熔体中的应用。液态玻璃（堇青石+氧化硼）对陶瓷纳米颗粒（碳化硅）有非常好的润湿性。通过高温熔融的方法，使碳化硅纳米颗粒在玻璃熔体中自散，并获得稳定的均匀分布。高含量的纳米陶瓷颗粒强化玻璃具有非常好的力学性能，均匀分散的纳米颗粒能抑制裂纹的扩展，促使裂纹偏转、增殖，从而获得稳定的裂纹扩展过程，大幅度提高玻璃的力学性能。实验结果表明：纳米颗粒（30vol%碳化硅）强化玻璃韧性达到6.66 MPa m1/2，形变率达到6.1%，强度达到E/14（E为弹性模量），接近理论强度E/10。

自散型纳米颗粒强化理论将为玻璃陶瓷的制备提供新的思路，很可能解决陶瓷材料的脆性问题，改变脆性材料的灾难性断裂过程。这将大幅度拓展陶瓷材料在工业体系中的应用。也许高强度、高韧性、高硬度的“陶瓷钢”或者说“玻璃钢”很可能会出现。

这一成果发表在Advanced Materials，第一作者是广东工业大学蒋强国博士和加州大学洛杉矶分校的曹车正博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Strong and Tough Glass with Self-Dispersed Nanoparticles via Solidification

Qiang-Guo Jiang, Chezheng Cao, Ting-Chiang Lin, Shanghua Wu and Xiaochun Li

Adv. Mater., 2019, 31, 1901803, DOI: 10.1002/adma.201901803

蒋强国博士简介

蒋强国，广东工业大学讲师。2015年在广东工业大学取得博士，2016至2017年在加州大学—洛杉矶分校作为访问学者，2018年就职于广东工业大学。

研究领域是结构陶瓷的制备、性能与应用研究。在相关领域发表SCI论文10余篇，包括Adv. Mater、J. Am. Ceram. Soc.、Ceram. Int.等。授权发明专利3项。

科研思路分析

Q：这项研究最初的是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：李晓春教授曾在nature上面发表文章，报道了自散陶瓷纳米颗粒强化镁合金，其强度大幅度提高。我们想把这一理论嫁接到陶瓷领域中，希望改变陶瓷材料的脆性。因此，产生了这一想法。但是，这一个想法的难度也是显而易见的。因为，陶瓷基本上是用烧结的方法，而常规的熔融玻璃也无法分散纳米陶瓷颗粒。最后，我将材料体系介于陶瓷和玻璃之间，寻找平衡。

Q：研究过程遇到了哪些挑战？

A：本项研究中遇到的最大问题是材料体系的选择。要保证玻璃熔体对陶瓷纳米颗粒有很好的润湿性。同时，材料的熔化温度不能太高，要防止纳米颗粒发生烧结和颗粒长大的现象。因此，需要做大量的预实验，来挑选适当的材料体系。我和同事们花了大半年的时间去尝试，做了上百次实验。终于，选出了合适的体系。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或者研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：单从玻璃这一个方向来说，应用就太多了。例如现在比较火热的5G手机背板、高温窗口、防弹玻璃、耐高温玻璃等。从工业应用到大众消费品都可以应用到。如果把这一概念，能顺利转化到特种陶瓷领域，经过研究者们的创新实验，也许能改变陶瓷的特性，可能会成为新的研究热点。