La2 O3 调控锂铝硅玻璃结构与化学强化性能的分子动力学模拟与实验研究

针对稀土氧化物对锂铝硅（LAS）玻璃化学强化性能影响机制不明的问题，研究人员通过分子动力学（MD）模拟与实验结合，系统探究了La2 O3 含量（0-2.0 mol %）对玻璃网络结构（如La3?配位数动态变化）、力学性能（维氏硬度达7.15 GPa）及离子交换行为（应力层深度DOL先降后升）的调控规律，揭示了"致密化-解聚"竞争机制，为高性能屏幕保护材料开发提供理论指导。

　　

随着智能手机等电子设备向轻薄化发展，锂铝硅（LAS）玻璃因其优异机械性能成为主流屏幕保护材料。然而，传统LAS玻璃的力学强度已接近极限，如何通过组分设计进一步提升性能成为行业难题。稀土氧化物La₂
O₃
因其高场强特性（Z/r2=2.82）被认为可优化玻璃网络结构，但其对化学强化过程（通过K?/Na?离子交换增强表面应力）的影响机制尚不明确。更棘手的是，La3?在玻璃中既可能通过填充间隙致密化网络，又可能因过量添加导致[SiO₄
]网络解聚——这种"双刃剑"效应使得La₂
O₃
的精准调控成为关键科学问题。

北京科技大学田英良团队通过分子动力学（MD）模拟与实验相结合，系统研究了La₂
O₃
含量（0-2.0 mol %）对LAS玻璃结构演变与性能的影响。研究发现，适量La₂
O₃
（1.0 mol %）可使玻璃维氏硬度提升至7.15 GPa，但过量添加会引发Q?（四桥氧[SiO₄
]结构单元）比例下降。更令人意外的是，化学强化过程中应力层深度（DOL）呈现先降后升的非单调变化，这颠覆了传统认知。相关成果发表于《Journal of Non-Crystalline Solids》，为稀土改性高性能玻璃开发提供了新思路。

研究采用五大关键技术：1）分子动力学模拟（揭示La3?配位演化）；2）差示扫描量热法（DSC分析玻璃转变温度T_g
）；3）拉曼光谱（表征[SiO₄
]网络聚合度）；4）电子探针微区分析（EPMA测定离子交换深度）；5）力学性能测试（维氏硬度与弯曲强度）。实验选用66SiO₂
-(14-x
)Al₂
O₃
-7Li₂
O-5Na₂
O-x
La₂
O₃
（x
=0-2.0 mol %）体系，通过铂坩埚熔融法制备样品。

玻璃样品制备
通过精确控制La₂
O₃
替代Al₂
O₃
的比例（0-2.0 mol %），获得La00-La20系列玻璃。DSC曲线显示，随着La₂
O₃
增加，T_g
从662°C降至631°C，表明网络结构松动。

结果与讨论
MD模拟首次捕捉到La3?配位数的动态变化：主要配位数（CN）为6，随含量增加在5-8之间波动。当La₂
O₃
达1.0 mol %时，La-O键长最短（2.21 ?），此时玻璃硬度峰值（7.15 GPa）与弯曲强度（205 MPa）同步出现。拉曼光谱证实，过量La₂
O₃
会引发Q?向Q3转化，导致网络解聚。化学强化实验揭示"反常"现象：表面压应力（CS）随La₂
O₃
增加线性下降，但DOL呈现先降（0→1 mol %）后升（1→2 mol %）的"V"型曲线，这归因于La3?的"致密化-解聚"竞争机制。

结论
该研究阐明La₂
O₃
在LAS玻璃中存在1.0 mol %的临界阈值：低于该值时，La3?通过缩短键长（2.21 ?）和六配位主导实现网络致密化；超过阈值后，La-O键长反弹至2.31 ?，七/八配位比例上升，引发[SiO₄
]网络断裂。这种结构演变直接调控化学强化性能——适度致密化阻碍K?扩散导致DOL下降，而网络解聚后离子迁移通道重新打开，使DOL回升。成果为通过稀土氧化物精准调控玻璃性能提供了分子层面的设计依据。