天然玄武岩作为多功能添加剂制备纳米晶彩色R2O-MgO-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷的创新研究

本研究创新性地利用富含过渡金属元素(Fe/Cu/Ti)的天然玄武岩作为R2O-MgO-Al2O3-SiO2(RMAS)玻璃陶瓷的复合着色剂和成核剂，通过调控玄武岩掺杂量(1-10wt.%)和热处理温度，成功制备出具有纳米晶结构(最小晶粒尺寸25.52nm)的深灰至黑灰色玻璃陶瓷。研究揭示了Fe2+/Fe3+氧化还原对主导、Cu+/Cu2+平衡和Ti4+(d0)稳定态协同作用的显色机制，材料展现出优异性能(密度2.692-2.713g/cm3，显微硬度7.6-8.6GPa，腐蚀失重<0.08%)，在建筑幕墙和防腐涂层领域具有应用潜力。

　　

Highlight
本研究突破性地采用天然玄武岩作为R₂O-MgO-Al₂O₃-SiO₂(RMAS)玻璃陶瓷的多功能添加剂，同时发挥成核剂和复合着色剂的双重功效。通过精确调控玄武岩掺杂比例和热处理参数，成功制备出具有纳米级晶体结构的深色系玻璃陶瓷材料，为建筑装饰和防腐工程提供了新型解决方案。

Raw materials and composition design
实验采用四川产玄武岩粉体(200目)作为天然着色剂，其显著特点是富含过渡金属氧化物(总铁含量15.19wt.%，TiO₂4.43wt.%，CuO0.77wt.%)。以分析纯试剂(SiO₂、Al₂O₃、MgO等)为基体材料，TiO₂作为成核剂，设计了创新的RMAS玻璃陶瓷组分体系。

Color analysis
玄武岩展现出卓越的着色性能：随着掺杂量从1wt.%增至10wt.%，样品颜色从黄棕色渐变至深黑色，透明度逐渐降低。热处理后，材料呈现出丰富的色彩变化和细腻的表面质感，证实了过渡金属离子的显色效应。特别值得注意的是，Fe²⁺/Fe³⁺氧化还原对在显色过程中起主导作用，而Cu⁺/Cu²⁺平衡态和Ti⁴⁺(d⁰)稳定态则协同增强了色彩均匀性。

Conclusions
研究证实，富含过渡金属(Fe/Cu/Ti)的天然玄武岩可创新性地用作RMAS玻璃陶瓷的复合着色剂，成功替代传统氧化物着色剂。这种方法不仅实现了资源节约和成本降低，还通过调控热处理温度精确控制金属离子价态演变，最终获得兼具美学价值和优异性能(密度2.692-2.713g/cm³，显微硬度7.6-8.6GPa，腐蚀失重<0.08%)的纳米晶玻璃陶瓷材料，在建筑幕墙和防腐涂层领域展现出广阔应用前景。