LionGlass?：一种无碳酸盐低熔融硅铝磷酸盐玻璃的创新突破及其在低碳玻璃工业中的应用潜力

这篇研究报道了Penn State University研发的专利玻璃体系LionGlass?，通过采用铝硅磷酸盐（alumino-silicophosphate）成分，实现了比传统钠钙硅玻璃（SLS）低400°C的熔融温度（1150°C vs 1500°C），并完全摒弃碳酸盐原料（如Na2CO3和CaCO3）。该材料展现出优异的抗裂纹萌生能力（CR>1.0 kgf）、与SLS相当的折射率（n≈1.5）和热膨胀系数（CTE≈9×10-6/°C），其粘度曲线（MYEGA方程拟合）和电阻率（19.5 Ω·cm@1200°C）表明其可直接适配现有电熔窑炉。通过高温熔体观测系统（HTMOS-EGA）证实，采用硫酸钠（Na2SO4）澄清剂可在900°C实现高效脱泡，为玻璃工业碳减排（减少60-80%能源相关CO2和100%原料分解CO2）提供了革命性解决方案。

　　

新型玻璃体系的突破性进展

Abstract

LionGlass?作为Penn State University的专利玻璃体系，开创性地通过铝硅磷酸盐（alumino-silicophosphate）成分设计，实现了较传统钠钙硅玻璃（SLS）低400°C的熔融温度（1150°C vs 1500°C），且完全避免使用碳酸盐原料。其粘度曲线整体低温偏移，抗裂纹萌生能力显著提升，同时保持与SLS相当的热膨胀系数（CTE）和光学色散曲线。

1 INTRODUCTION

传统SLS玻璃依赖石英砂（SiO₂）、苏打灰（Na₂CO₃）和石灰石（CaCO₃）原料，在1450-1500°C熔融时产生大量CO₂（占碳排放20-40%）。欧盟玻璃工业年排放超2100万吨CO₂，现有减排策略（如增加碎玻璃比例、氢能熔炼）仍无法解决碳酸盐分解的根本问题。LionGlass?通过创新性的15.70 SiO₂-40.45 P₂O₅-8.45 Al₂O₃-18.46 ZnO-10.77 Na₂O-3.01 CaO-3.16 MgO（mol%）组分，实现了原料和工艺的双重革新。

2 METHODS

2.1 Initial synthesis

采用磷酸铝（Al(PO₃)₃）、磷酸二氢钠（NaH₂PO₄·H₂O）等非碳酸盐原料，在1150°C二次熔融制备。通过ICP-AES验证组分，XRD确认非晶态结构。

2.2 Vickers hardness and crack resistance

维氏硬度测试显示LionGlass在1.0 kgf载荷下裂纹萌生概率（PCI）<50%，而SLS在0.1 kgf即达50% PCI。其异常高的抗裂纹性可能源于磷酸锌网络在压力下的配位转变。

2.3 DSC and glass transition

差示扫描量热法（DSC）测得玻璃化转变温度T_g=460°C，动力学脆性指数m=36.05±0.8。通过MYEGA方程构建的粘度曲线显示其熔融粘度（10 Pa·s）对应温度仅1099°C。

2.4 Thermal expansion

热机械分析显示50-300°C区间CTE为8.7×10^-6/°C，略低于SLS（9.5×10^-6/°C），但270°C后反超。膨胀法测得的脆性指数（34.36±4.37）与DSC结果吻合。

2.5 Electrical resistivity

阻抗谱测试表明1200°C时电阻率19.5 Ω·cm，低于典型AZS耐火材料（150-170 Ω·cm），确保电熔工艺中电流优先通过玻璃而非窑壁。

3 RESULTS AND DISCUSSION

3.1 Glass transition and viscosity

粘度-温度曲线显示LionGlass工作范围（10³-10⁸ Pa·s）对应540-820°C，较SLS（692-1026°C）降低200-300°C。其高脆性导致加工温度范围略窄。

3.2 Hardness and crack resistance

维氏硬度（H_v）随载荷增加从3.5 GPa（0.05 kgf）降至2.0 GPa（1.0 kgf），显著低于SLS（5.5-4.0 GPa）。1.0 kgf载荷下仍保持完整无裂纹的独特性能，使其在抗损伤应用前景广阔。

3.4 High temperature electrical resistivity

熔体电阻率与SLS同数量级，800-1400°C区间为1.28-2.10 lgΩ·cm。Zn²⁺的混合配位特性（四配位修饰剂/六配位网络形成体）可能影响电荷传输机制。

3.5 Optical dispersion

椭偏仪拟合的Sellmeier模型显示折射率n=1.5（589 nm），与SLS相当。UV-Vis光谱在可见光区吸收接近于零，证实优异的光学透明度。

4 HIGH-TEMPERATURE MELTING OBSERVATION

4.1 SLS glass

HTMOS-EGA显示碳酸盐分解（700-900°C）和硫酸钠澄清（1100-1300°C）分阶段进行，最终在1500°C获得无缺陷玻璃。

4.2 Base LionGlass

800°C开始熔融，主要释放水蒸气（8443 mg），仅痕量CO₂（0.02 mg）。1200°C时仍存在少量气泡和结石。

4.3 LionGlass with fining agent

添加0.7wt% Na₂SO₄后，硫酸盐在600°C即开始分解（较SLS提前500°C），释放357.5 mg SO₂。熔体在900°C粘度降至10² Pa·s时实现高效脱泡，最终玻璃质量媲美1500°C熔融的SLS。

5 CONCLUSIONS

LionGlass?通过组分创新实现了三大突破：（1）熔融能耗降低60-80%；（2）完全消除原料分解CO₂；（3）10倍以上抗裂纹性能提升。全球年超6300万吨的磷矿产量（2023年）为其规模化应用提供原料保障。未来需优化澄清剂添加策略，确保熔融（800°C）先于硫酸盐分解（900°C）以进一步提升玻璃质量。