[论文解读] Viscosity of Silica and Doped Silica Melts: Evidence for a Crossover Temperature

John C. Mauro, Charles R. Kurkjian+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2021

Material Dynamics and Properties参考文献 25被引用 13

一句话总结

本研究探讨了二氧化硅及掺杂二氧化硅熔体的黏度-温度行为，揭示在约2200–2500 K附近存在一个普遍的转变温度，此时主导的传输机制从高温下的本征缺陷介导流动转变为低温下的掺杂剂诱导缺陷介导流动。研究结果解释了由于微量杂质导致玻璃化转变温度（最高达300 K）和活化能出现显著差异的现象，挑战了传统认为二氧化硅为纯粹强液体的观点。

ABSTRACT

Silica is known as the archetypal strong liquid, exhibiting an Arrhenius viscosity curve with a high glass transition temperature and constant activation energy. However, given the ideally isostatic nature of the silica network, the presence of even a small concentration of defects can lead to a significant decrease in both the glass transition temperature and activation energy for viscous flow. To understand the impact of trace level dopants on the viscosity of silica, we measure the viscosity-temperature curves for seven silica glass samples having different impurities, including four natural and three synthetic samples. Depending on the type of dopant, the glass transition temperature can vary by nearly 300 K. A common crossover is found for all viscosity curves around ~2200-2500 K, which we attribute to a change of the transport mechanism in the melt from being dominated by intrinsic defects at high temperature to dopant-induced defects at low temperatures.

研究动机与目标

• 理解微量掺杂剂对二氧化硅熔体黏度和玻璃化转变温度的影响。
• 确定是否存在一个普遍的温度范围，控制二氧化硅熔体中本征与掺杂剂主导的传输机制之间的转变。
• 量化不同掺杂剂（天然和合成）对活化能和玻璃化转变温度的影响。
• 调和二氧化硅黏度行为与经典阿伦尼乌斯模型之间的差异，特别是在杂质影响下的情况。

提出的方法

• 对七种含不同杂质的二氧化硅玻璃样品（包括四种天然和三种合成成分）进行黏度-温度曲线的实验测量。
• 采用高温黏度测量法，在宽温度范围内测定活化能和玻璃化转变温度（Tg）。
• 分析黏度的阿伦尼乌斯行为，以检测表明黏性流动速率控制步骤发生变化的偏离现象。
• 比较不同掺杂剂的黏度曲线，识别所有样品中共同存在的转变温度。
• 应用缺陷化学原理，解释从本征缺陷到掺杂剂诱导缺陷的传输机制转变。
• 将掺杂剂类型和浓度与Tg及活化能的变化相关联，以识别网络改性趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 无论掺杂剂类型如何，二氧化硅及掺杂二氧化硅熔体的黏度-温度行为中是否存在一个普遍的转变温度？
• RQ2 微量杂质如何改变二氧化硅熔体的活化能和玻璃化转变温度？
• RQ3 二氧化硅熔体偏离阿伦尼乌斯行为的原因是什么？其物理根源是什么？
• RQ4 在二氧化硅熔体中，高温下是否由本征缺陷主导传输机制，低温下是否由掺杂剂诱导缺陷主导？
• RQ5 不同掺杂剂（如Al、B、P）在多大程度上影响二氧化硅熔体的黏度和转变温度？

主要发现

• 在所有掺杂二氧化硅熔体的黏度-温度曲线中均观察到约2200–2500 K的普遍转变温度，表明主导传输机制发生转变。
• 尽管二氧化硅被归类为强液体，但玻璃化转变温度（Tg）因掺杂剂的类型和浓度不同而变化近300 K。
• 添加掺杂剂后，黏性流动的活化能显著降低，表明黏性流动的速率控制步骤从本征缺陷形成转变为掺杂剂辅助的网络改性。
• 在转变温度以上，黏性流动由理想二氧化硅网络中的本征缺陷控制；在转变温度以下，掺杂剂诱导缺陷主导了传输过程。
• 该转变温度在不同掺杂剂间保持一致，表明二氧化硅熔体中结构松弛本质发生了根本性转变。
• 结果表明，即使微量杂质也能显著改变二氧化硅的热机械行为，挑战了其本征强液体行为的假设。