近日，中国科学院新疆理化技术研究所科研团队在玄武岩玻璃结构调控领域取得进展。研究揭示了Al₂O₃与SiO₂质量比对玄武岩玻璃网络结构及物化性能的调控规律，为玄武岩纤维的高性能化与原料优选提供了科学依据。

在玄武岩玻璃的多元组分体系中，SiO₂作为网络形成体，以[SiO₄]^4-四面体为基本单元构筑玻璃网络骨架；Al₂O₃则扮演双重角色，既可以四配位[AlO₄]^5-形式作为网络形成体，也可在一定条件下作为网络修饰体存在。这一行为主要取决于体系中修饰体氧化物（如Na₂O、CaO、MgO等）与Al₂O₃的含量比值。尽管Al₂O₃/SiO₂质量比被认为是调控硅酸盐网络结构的关键参数，但其在天然玄武岩这一复杂多组分体系中对玻璃结构与性能的具体影响机制，此前尚缺乏系统性研究。

针对上述问题，研究团队选取了来自新疆柳树沟、白杨沟、鄯善及河北蔚县四个不同产地的玄武岩矿石。X射线荧光光谱分析表明，所有样品的Al³⁺与碱/碱土金属离子的摩尔比均小于1，确认Al³⁺以四配位网络形成体形式存在。但Al₂O₃/SiO₂质量比在样品间差异显著：柳树沟样品最低（0.277），鄯善样品最高（0.339），这一天然差异为研究提供了理想的对比体系。

团队将矿石在1500°C下熔融保温2小时，经水淬快速冷却制备玄武岩玻璃，并综合运用高温旋转粘度计、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）等手段，系统分析了不同铝硅比条件下玻璃的结构演变规律。结果表明，随着Al₂O₃/SiO₂质量比增加，更多Al³⁺以[AlO₄]^5-四面体形式进入玻璃网络，与[SiO⁴]^4-四面体协同构建更为致密的无机网络结构。这一过程促进了非桥氧向桥氧的转化：XPS分析显示，桥氧与非桥氧比例（BO/NBO）从0.10（柳树沟）上升至0.31（鄯善）。拉曼光谱定量分析进一步表明，高聚合度结构单元的比例从0.26提升至0.65，直观反映了玻璃网络聚合度的显著提高（图1）。上述微观结构的演变带来了玄武岩玻璃体宏观物化性能的系统性提升：

-- 流变性能：随着铝硅比升高，玄武岩熔体粘度持续增大，粘滞活化能从244.84 kJ/mol升至288.49 kJ/mol，表明熔体流动需克服更高的能垒。

-- 特征温度：鄯善样品的熔化点、软化点和固化点分别达1430°C、866°C和766°C，显著高于柳树沟样品。

-- 物理性能：玄武岩玻璃密度从2.68增至2.79 g/cm³，维氏硬度从576.96提升至730.79 HV，增幅超过26%。

图1 Al₂O₃/SiO₂质量比对玄武岩玻璃网络结构的影响机理

上述结果表明更高的Al₂O₃/SiO₂质量比有利于形成更紧密、聚合度更高的玻璃网络结构，从而实现材料力学性能的优化。长期以来，玄武岩纤维的工业化生产面临“原料决定性能”的被动局面，缺乏从化学成分出发主动调控纤维性能的科学手段。本研究通过建立Al₂O₃/SiO₂质量比与玄武岩玻璃网络聚合度、粘度及力学性能之间的定量关联，明确了Al³⁺的正向网络形成作用，这不仅深化了对天然玄武岩多组分硅酸盐体系结构与性能关系的理解，也为玄武岩纤维生产的原料优选与工艺参数优化提供了重要理论依据。通过调控Al₂O₃/SiO₂比值，有望实现纤维力学性能和热稳定性的按需定制，推动玄武岩纤维在高端复合材料领域的精细化应用。

相关研究成果近期发表在《非晶固体》（Journal of Non-Crystalline Solids）杂志上。研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院“西部之光”计划、新疆重大科技专项等项目的资助。

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