The Competing Effect of Initial Crack Depth Versus Chemical Strengthening Parameters on Apparent Fracture Toughness of Sodium Aluminosilicate Glass
钠铝硅酸盐玻璃由于其机械和光学性能（透明性、介电性等）而在许多工程应用中得到广泛使用，近年来变得普遍。然而，玻璃是一种脆性材料，具有其脆弱性，易于断裂。诸如热处理（热回火）或通过离子交换的化学强化等工艺已被用于在玻璃上产生残余应力分布，以提高其断裂强度。然而，故障仍然发生，这大多是灾难性的，维修费用昂贵。因此，理解、预测并最终提高化学强化玻璃的抗损坏或抗断裂性对于设计在保持其透明度的同时更坚固的新玻璃非常重要。在这项研究中，使用碳化硅颗粒爆炸加环上环（RoR）测试方法的玻璃残余应力参数，如压缩应力（CS），压缩层深度（DOL），和中心张力（CT）与表观（有效）断裂韧性不同的裂纹深度之间的关系进行了研究。结果还表明，通过化学强化提高玻璃的抗断裂性需要CS、DOL和CT的适当组合，这特别取决于初始/存在的裂纹（瑕疵）深度。据确定，对于涉及引入浅裂纹深度的损伤事件，在表观断裂韧性方面，最佳抗断裂性的标准更倾向于高CS，而不是深DOL，而对于深缺陷损伤事件，它更倾向于深DOL，而不是高CS。这些结果为工程应用中设计更坚固的玻璃提供了有价值的信息。
2020-12-08 cond-mat.mtrl-sci
Development of physics-based compositional parameters for predicting the reactivity of amorphous aluminosilicates in alkaline environments
无定形铝硅酸盐在碱性环境中的反应性对于许多应用是重要的，包括混合波特兰水泥和碱活化材料（AAM）。在这里，两个基于物理的组成参数推导出描述的相对反应性的CaO-Al 2 O3-SiO2和CaO-MgO-Al 2 O3-SiO2玻璃在碱性环境中：（i）一个修改的平均金属氧化物解离能（AMODE）参数开发的分子动力学模拟;和（ii）拓扑约束参数来自拓扑约束理论。对于宽范围的铝硅酸盐玻璃，可以看出这两个参数通常优于来自文献的现有组成参数。鉴于修改后的AMODE和拓扑约束参数可以直接从化学组成计算，这项研究代表了连接铝硅酸盐玻璃组合物与它们在碱性环境中的反应性的一个重大进步。这些组成参数的局限性，包括他们无法捕捉的影响，钙与镁对玻璃的反应性，也进行了讨论。
2023-01-17 cond-mat.mtrl-sci
Structural characterization of Nd-doped calcium aluminosilicate glasses designed for the preparation of zirconolite (CaZrTi2O7) -based glass-ceramic
本工作涉及属于SiO_2-Al_2O_3-CaO-ZrO_2-TiO_2-Nd_2 O_3系统的玻璃，其在成核+晶体生长热处理后导致其本体中的锆英石结晶，并且可以找到作为核废物形式的应用。对玻璃结晶过程的理解意味着对其结构的研究。Ti，Zr（成核剂）和Nd周围的环境，其特征在于各种Nd 2 O3负载。电子自旋共振研究少量的Ti 3+发生在玻璃中，能够确定两种类型的网站钛。EXAFS表明，Zr占据了一个相当明确的6-7倍的位置与氧在2.20 ℃，第二邻居，可以对应于Ca/Ti和Zr约3.5 ℃。这种短程有序与锆英石有一些相似之处，这可能使玻璃更容易成为锆英石的核。用光学光谱、ESR和EXAFS等方法对Nd环境进行了探测。结果表明，钕周围的环境是非常受限制的玻璃网络和显着不同的锆英石。Nd在2.53 nm处与玻璃中的氧原子占据了高度畸变的8-9倍配位位。EXAFS在Nd附近没有明确的第二近邻，但Nd的光学荧光衰减研究表明Nd离子之间存在强相互作用。
2011-04-11 cond-mat.mtrl-sci
Cooling-Rate Effects in Sodium Silicate Glasses: Bridging the Gap between Molecular Dynamics Simulations and Experiments
虽然分子动力学（MD）模拟通常用于预测玻璃的结构和性质，但它们本质上限于短时间尺度，需要使用快速冷却速率。因此，这是具有挑战性的比较结果从MD模拟的实验结果，在典型的实验室时间尺度上冷却的玻璃。基于不同冷却速率（从0.01到100 K/ps）的硅酸钠玻璃的MD模拟，在这里，我们表明，热历史主要影响中程有序结构，而短程有序在很大程度上不受影响的范围内的冷却速率模拟。这导致焓和体积弛豫函数之间的解耦，其中焓随着冷却速率降低而快速平稳，而密度表现出较慢的弛豫。最后，我们表明，MD模拟的结果可以有意义的实验值相比，如果适当地外推到较慢的冷却速率。
2017-05-11 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
First principles study of the surface of silica and sodium silicate glasses
我们使用\textit{ab initio}分子动力学模拟来研究纯二氧化硅和钠硅酸盐玻璃的干燥表面的性质。基于沿着垂直于表面的方向（$z-$方向）的原子分布来定义表面层。我们发现，这些表面有一个更高的浓度的悬挂键，以及二元（2 M）环比散装样品。增加Na $_2$ O的浓度降低了结构缺陷的比例。从振动态密度，人们得出结论，2 M环在频率$\approx850$ ~cm $^{-1}$处具有独特的振动特征，与实验结果一致。我们还发现，由于表面的存在，在$z-$方向的原子振动是软比其他两个方向。电子态密度清楚地显示了表面和内部之间的差异，我们可以将其归因于特定的结构单元。最后，电子局域化函数的分析允许洞察的局部结构和Na的存在下的玻璃中的化学键合的性质的影响。
2021-01-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Synthesis and different Optical properties of Gd2O3 doped sodium zinc tellurite glasses
研究了用传统的熔体淬冷法制备的Gd_2O_3掺杂的钠锌碲酸盐[xGd_2O_3-（0.8-x）TeO_2 - 0.1Na_2O-0.1ZnO]玻璃的光学性质。利用紫外-可见分光光度计在室温下以积分球模式研究了Gd 2 O3掺杂对230-800 nm波长范围内光学带隙、折射率、介电常数和极化率的影响。使用阿基米德原理测量密度，用于计算玻璃的摩尔体积、摩尔折射率、极化率和金属化标准。
2016-06-01 cond-mat.mtrl-sci
Machine learning modeling of the atomic structure and physical properties of alkali and alkaline-earth aluminosilicate glasses and melts
本文扩展了机器学习灰箱模型 i-Melt 的成分范围，使其能准确预测 CaO-MgO-K$_2$O-Na$_2$O-Al$_2$O$_3$-SiO$_2$ 体系熔体和玻璃的黏度、熵、温度、热容、密度、光学、弹性及光谱等多种性质，并给出预测不确定性。
2023-07-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Influence of Matrix Composition on Microstructural Yielding and Vickers Hardness in Phase Separated Glasses
本文研究相分离钙铝硅酸盐玻璃中基体组成对微观结构屈服和硬度的影响，发现基体二氧化硅含量变化在不同变形机制下对硬度产生相反作用，并可能解释压痕尺寸效应。
2023-12-04 cond-mat.mtrl-sci
Clock Transitions Generated by Defects in Silica Glass
本文首次在含硼或铝的二氧化硅玻璃中观测到零磁场时钟跃迁，相干时间达16 μs，并提出该现象源于硼空位或铝空位中心。
2024-07-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Revealing the Atomic Structure of Silicate Glasses by Force-Enhanced Atomic Refinement
虽然实验可以提供玻璃原子结构的一些指纹（配位数、对分布函数等），通常需要原子模拟来直接访问结构本身（即，原子的位置）。一方面，分子动力学（MD）模拟可用于通过淬火液体产生-但MD模拟仍然受到极高冷却速率的困扰。另一方面，反向蒙特卡罗（RMC）建模绕过熔融淬火路线-但RMC往往产生非独特的玻璃结构。在这里，我们采用力增强原子细化（FEAR）的方法来克服这些限制和破译的硅酸钠玻璃的原子结构。我们表明，FEAR提供了一个前所未有的硅酸钠的原子结构的描述。FEAR产生的玻璃结构同时表现出（i）与实验中子衍射数据的一致性增强和（ii）与MD或RMC产生的那些相比具有更高的能量稳定性。这一结果使我们对钠硅酸盐玻璃的原子结构有了新的认识。具体来说，我们表明钠硅酸盐玻璃表现出比之前MD模拟所建议的更有序的中程有序结构。这些结果为提高精确描述玻璃原子结构的能力铺平了道路。
2019-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Non-linear dissolution mechanisms of sodium calcium phosphate glasses as a function of pH in various aqueous media
用于生物可吸收植入物的磷酸盐玻璃显示出随组成而显著变化的溶解速率，然而目前它们的溶解机制尚不清楚。基于这一系统的研究，我们提出了新的见解，这些机制。两个阶段的溶解观察，与时间的依赖性最初抛物线和后来的线性，和一个两阶段的模型来描述这种行为。玻璃中较低的Ca浓度和溶解介质中较低的pH值加速了溶解。提出了一种新的溶解机制，涉及的初始阶段，在扩散控制形成的转换层发生。一旦转化层稳定，层溶解反应就变得限速。在这种机制下，转变时间对转化层的性质和溶液条件敏感。这些结果揭示了P $_{2}$ O $_{5}$ -CaO-Na $_{2}$ O玻璃溶解对溶液pH的依赖性，并提供了对溶解机制的新见解，特别是关于两个溶解阶段之间的过渡。
2020-09-12 cond-mat.mtrl-sci
Ion-Exchange Strengthening of Glasses: Atomic Topology Matters
离子交换通常用于化学强化玻璃，通过在低于T $_g$温度下用较大原子替换小原子，从而诱导压缩应力。然而，所得到的玻璃的膨胀仍然低于由冷却玻璃的摩尔体积的差异预测的膨胀，这是一种仍然知之甚少的异常。在这里，基于分子动力学模拟的永久致密化的钠硅酸盐玻璃加上拓扑约束理论，我们表明，网络的刚性控制的扩张的程度。等静压网络，这是刚性的，但没有本征应力，表现出最大的膨胀，因此，似乎是一个有吸引力的选择，以提高玻璃的韧性。
2015-05-28 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Stress-enhanced ion diffusion at the vicinity of a crack tip as evidenced by atomic force microscopy in silicate glasses
利用原子力显微镜（AFM）在可控气氛下对钠硅酸盐玻璃中裂纹的缓慢扩展过程进行了纳米尺度的原位和实时研究。通过几种效应揭示了在裂纹尖端的亚微米附近的应力梯度场中钠离子的增强扩散：AFM高度图像中的结节的生长，AFM尖端/样品能量耗散的变化。结节模式显示了去湿现象证明了“呼吸图”。进行了补充化学微量分析。这些实验结果通过两步过程来解释：i）钠离子朝向断裂表面的快速迁移（典型时间：几毫秒），如Langford等人[J. Mat. Res. 6（1991）1358]，ii）阳离子的缓慢向后扩散，如在这些AFM实验中所证明的（典型时间：几分钟）。在室温下测量该弛豫过程的扩散系数。我们的研究结果加强了近表面的结构松弛由于在裂纹尖端附近的应力梯度的理论概念。钠离子的不均匀迁移可能是硅酸盐结构中存在富钠通道的直接实验证据[A. Meyer等人，物理修订版93（2004）027801]。
2006-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Structure and vibrational properties of sodium silicate glass surfaces
使用分子动力学模拟，我们调查的钠硅酸盐玻璃的表面上的钠含量以及表面的性质的结构和振动性质的依赖性。两种类型的玻璃表面被认为是：熔融形成的表面（MS），其中具有自由表面的液体已被冷却到玻璃相和断裂表面（FS）通过拉伸加载的玻璃样品获得。我们发现，MS是更丰富的钠和非桥氧原子比FS和散装玻璃，而FS具有更高的浓度的结构缺陷，如二元环和欠协调的硅比MS。我们将这些结构差异的生产历史的玻璃和钠离子的流动性。研究还发现，对于贫钠体系，组分和局域原子电荷密度的涨落随离表面距离的增加而呈幂律衰减，而富钠体系则呈指数衰减，典型的衰减长度为$\approx2.3$ ~ 10。振动态密度表明，表面的存在导致系统中的特征频率的降低。二元环在$\approx880$ ~cm $^{-1}$处产生一个明显的带，这与实验观察结果吻合得很好。
2020-06-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Fracture of silicate glasses: Micro-cavities and correlations between atomic-level properties
我们使用大规模的模拟研究单轴拉伸下的二氧化硅和钠硅酸盐玻璃的动态断裂。应力-应变曲线表明石英玻璃是脆性的，而富含Na的玻璃显示出显著的延展性。在裂纹速度中也看到强烈的组成依赖性，其对于具有低Na浓度的玻璃为1800 m/s的量级，并且如果浓度高则降低至700 m/s。我们发现，在富钠玻璃的断裂过程中，在裂纹前缘之前形成了3-4 nm大的非常不规则的空腔，表明这些玻璃中存在纳米延展性。在断裂发生之前，局部成分、结构和力学性能在空间上是不均匀的，并且表现出对施加的应变的强烈依赖性。进一步分析这些局部性质之间的相关性，可以获得更好的微观理解的变形和断裂的玻璃，以及如何局部加热接近裂纹尖端，高达几百度，允许结构放松。
2022-05-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
Multiscale Experimental Evidence of a Transitory State in the HDA-LDA Transition in Alumino-sodo-silicate Glasses
Institut Lumière Matière UMR CNRS 5306, Université Claude Bernard Lyon 1, CNRS（里昂第一大学物质与光研究所）；Institute of Glass and Ceramics, Department of Materials Science and Engineering, Friedrich Alexander University Erlangen Nuremberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学玻璃与陶瓷研究所）
研究通过多尺度实验发现Alumino-sodo-silicate玻璃在HDA-LDA转变中存在瞬态状态，揭示了玻璃多形性与液体-液体转变的关系。
2026-01-09 cond-mat.mtrl-sci
Topological Origin of Fracture Toughening in Complex Solids: the Viewpoint of Rigidity Theory
为了设计更坚固的材料，了解其组成与抗断裂性之间的关系至关重要。为此，我们研究了常见的硅酸钠玻璃（NS）和复杂的水化硅酸钙（CSH），水泥的粘结相的断裂韧性。它们的原子结构是在拓扑约束理论或刚性理论的框架中描述的。我们报告了一个类似的刚性过渡，由NS中的压力和CSH中的组合物驱动。依靠模拟和现有的实验结果，我们表明，最佳约束的均衡系统显示出改善的断裂韧性。柔性到应力-刚性的转变被证明是相关的韧性到脆性的转变，局部最小的脆性均衡系统。这种断裂增韧来自可逆的分子网络，允许最佳的应力松弛和裂纹钝化行为。这为发现在分子尺度上设计的高性能材料开辟了道路。
2014-10-10 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Nanoindentation-induced evolution of atomic-level properties in silicate glass: Insights from molecular dynamics simulations
本研究通过大规模分子动力学模拟，探究钠硅酸盐玻璃在25nm压痕深度下的原子级性质演化，揭示局部性质的指数衰减规律及剪切流动与致密化的结构起源，为抗损伤玻璃设计提供依据。
2023-05-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Evaluation of GlassNet for physics-informed machine learning of glass stability and glass-forming ability
Citrine Informatics；Pacific Northwest National Laboratory（太平洋西北国家实验室）；Brazilian Center for Research in Energy and Materials (CNPEM)（巴西能源与材料研究中心 (CNPEM)）；National Institute of Science and Technology on Materials Informatics（国家材料信息学科学技术研究所）；University of North Texas（北德克萨斯大学）
本研究评估预训练模型GlassNet预测玻璃稳定性参数以估计玻璃形成能力的可行性，发现误差累积导致其性能与随机森林相当，并指出需更多数据才能实现GFA的机器学习预测。
2024-03-19 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
