Фазовое разделение в муллите

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 17687 (2022) Цитировать эту статью

943 Доступа

1 Цитаты

Подробности о метриках

Алюмосиликаты (АС) повсеместно используются в керамике, геологии и планетологии, а их стеклообразные формы лежат в основе жизненно важных технологий, используемых в дисплеях, волноводах и лазерах. Несмотря на это, неравновесное поведение прототипа соединения AS — муллита (40SiO2-60Al2O3, или AS60) — недостаточно изучено. Путем глубокого переохлаждения жидкости состава муллита посредством аэродинамической левитации мы наблюдаем метастабильное размешивание жидкости и жидкости, в результате которого образуется прозрачное двухфазное стекло, содержащее наноразмерную смесь AS7 и AS62. Экстраполяция измерений рассеяния рентгеновских лучей показывает, что фаза AS7 похожа на стеклообразный SiO2 с заменой Si несколькими видами Al. Фаза AS62 построена из высокополимеризованной сети 4-, 5- и 6-координированных полиэдров AlOx. Полимеризация сетки AS62 и морфология композита обеспечивают важные механизмы упрочнения стекла.

Муллит является выдающимся материалом во всей области керамики, от керамики и фарфора до огнеупоров и теплозащитных покрытий1. Являясь фазой в системе CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (CMAS), которая присутствует во Вселенной, она также представляет собой важный геологический материал, образующийся на поверхности Земли при контакте базальтовой магмы с глинистыми минералами2. В бинарном алюмосиликатном (AS) муллитовом составе (40SiO2-60Al2O3 или AS60) фактически является конечным членом стекол на основе AS. Они составляют большую часть функциональных стекол из-за их твердости и прочности3. Ключом к получению желаемых свойств этих стекол является учет метастабильной несмешиваемости системы жидкость-жидкость во время обработки, что может привести к образованию разделенных фаз стекол в богатой SiO2 области фазовой диаграммы при закалке расплавом4. Предотвращение или манипулирование этой несмешиваемостью дает возможность контролировать свойства получаемых стекол.

Известный интервал смешиваемости AS качественно колеблется от области SiO2 и заканчивается до состава муллита, примерно AS7-AS56. Однако сохраняются существенные разногласия относительно композиционных и температурных пределов несмешиваемости (рис. 1). Многие экспериментальные исследования определили состав муллита вне зоны смешиваемости4,5,6, в то время как различные термодинамические модели предсказывали его внутри7,8 или вне9,10,11 зоны смешения (см. рис. 1). В связи с этим, хотя муллит широко распространен в керамике, его структурная роль в разделении фаз АС остается неразгаданной загадкой. В основном это возникает из-за высоких температур и метастабильной природы купола фазового разделения жидкость-жидкость, который существует на сотни градусов ниже равновесной температуры плавления (\({T}_{m}\) ~ 1890 °C для муллита11 ). Розалес-Соса и др.12 недавно сообщили о стекле из муллита с исключительной твердостью (8,07 ГПа) и трещиностойкостью (55,4 Н), что вызывает новый интерес к структуре стекла из муллита и объяснению этих желаемых свойств. (Здесь и далее стекло с муллитовым составом называется «муллитовым стеклом», определяемым как стекловидная форма, полученная закалкой расплава жидкости AS60.) Здесь мы обнаруживаем, что муллитовое стекло фактически является двухфазным, с нанометровыми доменами SiO2. -богатое стекло, встроенное в стекловидную полимеризованную сетку, богатую Al2O3. Измерения структуры стекла и электронной микроскопии однозначно свидетельствуют о фазовом разделении жидкость-жидкость в муллите и дают экспериментальную оценку предела несмешиваемости AS при высоком уровне Al2O3. Моделирование атомной структуры этого богатого алюминием концевого элемента проливает свет на структурные основы превосходной трещиностойкости муллита.

Метастабильная расмешиваемость жидкость–жидкость в SiO2–Al2O3. На основе экспериментальных наблюдений за закаленными стеклами и термодинамических расчетов были предложены многочисленные местоположения щели смешиваемости (цветные кривые с номерами ссылок, указанными на рисунке). Композиционные и температурные пределы несмешиваемости существенно различаются в разных исследованиях: концевой член, богатый Al2O3, пересекает \({T}_{g}\) где-то от 56 до > 85 мол. %. Фазовая диаграмма равновесия адаптирована из Mao et al.11. Стеклование — \({T}_{g}\)7, а кристаллизация стекол при нагревании — \({T}_{x}\)41.