碱金属游离铝硅酸盐玻璃多层网络结构与力学性能的构效关系解析及其工业应用价值

　　本研究针对TFT-LCD/OLED显示基板玻璃对高稳定性、低热膨胀系数的需求，通过实验与分子动力学模拟相结合，系统探究了B2 O3 替代Al2 O3 对碱金属游离铝硅酸盐玻璃网络结构（[BO3 ]/[BO4 ]与[AlO4 ]比例变化）的影响，揭示了其降低熔体粘度、弹性模量的微观机制，为优化工业制备工艺提供了关键理论依据。

　　

在电子显示技术飞速发展的今天，TFT-LCD和OLED显示屏已成为手机、电视等电子设备的核心部件。作为显示面板的"骨架"，基板玻璃需要同时满足多项严苛要求：必须耐受强酸强碱清洗、承受高温真空镀膜工艺，且不能含有会污染半导体材料的碱金属离子。更关键的是，其热膨胀系数必须与液晶材料（3.0×10^-6
/K至4.0×10^-6
/K）精确匹配，否则在高温加工时会产生应力破裂。碱金属游离铝硅酸盐玻璃因其优异的化学稳定性、高弹性模量和低热膨胀特性成为理想选择，但高Al₂
O₃
含量导致的熔融温度过高、气泡难以消除等问题，始终制约着工业化生产。

为破解这一难题，中国建筑材料科学研究总院等机构的研究人员开展了一项创新研究。他们通过精确调控B₂
O₃
替代Al₂
O₃
的比例（0-6 mol%），结合X射线光电子能谱(XPS)、核磁共振(NMR)等先进表征手段与分子动力学(MD)模拟，首次从原子尺度揭示了玻璃网络结构的演变规律及其对宏观性能的影响机制。相关成果发表在《Journal of Materiomics》上，为设计高性能显示基板玻璃提供了重要理论支撑。

研究团队采用熔融-淬冷法制备了系列玻璃样品，通过差热分析(DTA)测定特征温度点，采用旋转粘度计和三点弯曲法分别测试高低温粘度，并运用LAMMPS软件进行6000原子规模的MD模拟。关键实验技术还包括傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析振动模式，以及基于持续同调性理论(Persistent homology)的中程结构解析。

【短程有序结构特征】
XPS和²⁷
Al NMR结果显示，随着B₂
O₃
含量增加，[AlO₄
]四面体占比从81.3%降至64.5%，而平面三角形[BO₃
]单元显著增多。MD模拟的径向分布函数证实，1.4 ?处的B-O键峰强增强，而1.7 ?处的Al-O峰减弱。键角分布分析显示[BO₃
]的O-B-O键角呈120°特征峰，与[SiO₄
]的109°四面体结构存在几何不匹配，导致网络连通性下降。

【中程有序结构特征】
结构因子S(Q)分析发现，随着B₂
O₃
增加，第一锐衍射峰(FSDP)向低Q值移动，表明结构有序度降低。环尺寸分布显示5-6元环减少而3-4元环增多，APF曲线强度下降28%，证实网络结构趋于松散。这种变化源于[BO₃
]引入的非桥氧(NBO)破坏了[SiO₄
]-[AlO₄
]的连续网络。

【热力学与力学性能】
当B₂
O₃
含量达6 mol%时，应变点(T_st
)从682℃降至643℃，弹性模量由78.3 GPa降至71.2 GPa。粘度测试表明熔体活化能(E_η
)降低22.5%，熔化温度(T_m
)下降24℃，这归因于[BO₃
]的平面结构降低了原子迁移能垒。

该研究创新性地建立了"成分-微观结构-性能"的定量关系模型：每增加1 mol% B₂
O₃
可使[BO₃
]/[BO₄
]比例提高12.7%，同时使成型温度窗口(ΔT=T_w
-T_s
)拓宽15℃。这一发现不仅解决了高铝玻璃难熔融的产业痛点，更通过调控[BO₃
]三角体与[AlO₄
]四面体的拓扑匹配，为设计新型功能玻璃提供了普适性策略。研究采用的"实验表征-模拟计算-性能预测"三位一体方法，也为其他非晶材料的研发树立了范式。