Effect of pressure quenching on the structures and properties of borosilicate glasses: Insights from molecular dynamics simulations
Effect of pressure quenching on the structures and properties of borosilicate glasses: Insights from molecular dynamics simulations
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压力淬火对硼硅酸盐玻璃结构和性能的影响：分子动力学模拟的见解
DOI：
10.1016/j.nocx.2022.100112
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发表时间：
2022
影响因子：
--
通讯作者：
Du, Jincheng
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Ren, Mengguo;Du, Jincheng
结合热效应和压力效应代表了一种新的改性玻璃性质的方法。然而，这些性质修改的微观结构起源是复杂的，远未完全理解，特别是在具有混合玻璃形成剂的多组分玻璃中。本文利用经典分子动力学方法，采用一组组分相关势函数，研究了钠硼硅玻璃的压力猝灭效应。研究并比较了热压缩、冷压缩及后续退火工艺对合金组织和性能的影响。结果发现，施加压力高达10 GPa的玻璃化转变温度导致永久致密化和90%的弹性模量的显着增加，而热退火逆转的增加和施加压力在环境温度下没有增加模量。热压缩样品的主要结构变化是四配位硼的增加，而硅保持四配位。钠环境中的配位数的增加和减少Nasingle键O和Nasingle键Na键的距离。随着八元环数目的增加，中程结构也发生了变化。这些结果提供了硼硅酸盐玻璃上的压力淬火效果的原子见解。
Combining thermal and pressure effect represents a novel approach to modify glass properties. However, the microscopic structural origin of these property modifications is complex and far from fully understood, especially in multicomponent glasses with mixed glass formers. In this paper, we have utilized classical molecular dynamics simulations with a set of composition dependent potentials to investigate pressure-quenching effect on sodium borosilicate glasses. Processes including hot compression, cold compression and subsequent annealing on the structures and properties are investigated and compared. It was found that applying pressure up to 10 GPa at the glass transition temperature led to permanent densifications and a dramatic increase of elastic moduli by 90%, while thermal annealing reversed the increase and applying pressure at ambient temperture did not increase the modulus. The main structural change of the hot compressed sample is the increase of four-fold coordinated boron while silicon remains four-fold coordinated. The sodium environment shows an increase of coordination number and a decrease of Nasingle bondO and Nasingle bondNa bond distances. Medium range structure is also changed with an increase of 8-membered rings. These results provide atomistic insights of the pressure quench effect on borosilicate glasses.
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