通过实验和机器学习分析Li2ZnSiO4玻璃陶瓷的深度离子交换行为

《Journal of the American Ceramic Society》：Analysis of deep ion-exchange behavior of Li2ZnSiO4 glass-ceramics by experiments and machine learning

离子交换改善LZAS玻璃陶瓷机械性能，400℃时获得最佳综合力学性能（432.5MPa抗弯强度，7.9GPa维氏硬度），Na+扩散系数随温度先升后降，表面晶相不变显示交换发生在残余玻璃相。130-138.7μm交换层深度及430℃/1.5h处理实现1.95m高度无裂纹耐摔性，机器学习预测短时高温处理可提升交换层与耐摔性。

　　

摘要

透明的Li₂O–ZnO–Al₂O₃–SiO₂（LZAS）玻璃陶瓷具有优异的机械性能，这些性能可以通过离子交换进一步改善。在本研究中，主要晶相为Li₂ZnSiO₄的透明LZAS玻璃陶瓷在混合熔盐中进行了不同温度和停留时间的离子交换，并研究了这种处理对其近表面结构和机械性能的影响。当使用90 wt% NaNO₃ + 10 wt% KNO₃的混合熔盐进行离子交换时，玻璃陶瓷达到了最佳的综合性机械性能。随着离子交换温度（T_iox）从380°C升高到460°C，最佳机械性能出现在400°C时，此时其抗弯强度为432.5 MPa，维氏硬度为7.9 GPa。在所有T_iox条件下，离子交换层的深度（DOL）均超过130 μm，在400°C时达到最大值约138.7 μm。离子交换后，表面晶相没有发生变化，这表明离子交换主要发生在剩余的玻璃相中。在90 wt% NaNO₃ + 10 wt% KNO₃熔盐中进行离子交换时，Na⁺的扩散系数最初增加，随后随着T_iox的升高而减小。这种行为归因于T_iox增强了K⁺对Na⁺扩散的阻碍作用。经过430°C下1.5小时的热处理后，这些离子交换玻璃陶瓷表现出良好的抗冲击性能，在从1.95米高度多次落下后仍未出现可见裂纹。通过对离子交换条件进行机器学习分析，研究发现，在相对较高的T_iox下进行较短的交换时间有利于获得较大的离子交换层深度（DOL），从而有效提高玻璃陶瓷的抗冲击性能。