高檔妮,郭宏偉,王 毅,白 赟,高依博

(1.陜西科技大學(xué)圖書館,西安 710021;2.陜西科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710021)

0 引 言

微晶玻璃,又稱玻璃陶瓷,是通過熱處理控制基礎(chǔ)玻璃成核和晶化后形成的一種多晶材料,不僅具有陶瓷耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、高強度等固有特性,且具有玻璃易成型、光學(xué)性能優(yōu)異等特點,這些特性使其得到廣泛應(yīng)用,比如生活中常見的耐熱廚具,建筑用玻璃板材,再到衛(wèi)星、航天器、天文望遠鏡等高精尖儀器儀表中的觀測鏡,半導(dǎo)體基片光刻用反射鏡等[1]。除此之外,生物活性微晶玻璃還可用于骨替代、骨修復(fù)、牙齒修復(fù)等領(lǐng)域[1]。微晶玻璃的研究對國家安全、國民經(jīng)濟、醫(yī)療衛(wèi)生等可持續(xù)發(fā)展具有重大意義,因此備受國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。近年來國內(nèi)外學(xué)者相繼發(fā)表不同種類微晶玻璃研究進展的綜述文獻。2016年,盧安賢等[2]綜述了高結(jié)晶度透明微晶玻璃的研究新進展,當時僅有幾個高結(jié)晶度透明微晶玻璃體系的開發(fā)研究獲得成功,其主要原因是相當多體系(以Gd2O3、Ga2O3為主要組成的Gd2O3-SiO2-B2O3、Gd2O3-Ga2O3-GeO2玻璃,稀土摻雜MgO-Al2O3-SiO2、TeO2-B2O3-ZnO微晶玻璃等)的基礎(chǔ)玻璃和微晶玻璃不容易制得,且難以確保玻璃析晶過程中組成連續(xù)均勻地變化。2017年,Fernandes等[3]對用于骨組織修復(fù)和再生且具有抗菌性能的生物活性微晶玻璃進行了綜述。2018年,張浩等[4]綜述了鋰鋁硅系光敏微晶玻璃的研究進展和應(yīng)用。2019年,任晶等[5]對硫系發(fā)光微晶玻璃研究進展進行了綜述,指出在光敏微晶玻璃微結(jié)構(gòu)加工方面存在諸如通壁角的垂直度、通孔內(nèi)壁的光滑度以及如何進一步縮小通孔直徑等問題;而玻璃作為一種低介電常數(shù)和低介電損耗材料有望成為集成電路的基板材料,降低光敏微晶玻璃材料的介電常數(shù)和介電損耗具有很重要的研究意義。2019年,Miola等[6]綜述了癌癥治療用微晶玻璃的發(fā)展趨勢。2020年,Fu等[7]綜述了新一代牙科微晶玻璃(ZrO2-SiO2納米晶微晶玻璃)的制備和性能研究。2022年,盧小送等[8]從含二元和三元氟化物的納米晶氟硅微晶玻璃的轉(zhuǎn)換發(fā)光性能和應(yīng)用研究兩方面入手,介紹了該類材料的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀。2022年,Wang等[9]介紹了光催化微晶玻璃在水凈化、細菌消毒、自清潔和析氫等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。2023年,Lin等[10]討論了鋰電池用微晶玻璃固體電解質(zhì)的合成和表征,提出可通過結(jié)構(gòu)修飾、界面工程和制備方法的優(yōu)化來設(shè)計良好的電極/電解質(zhì)接觸界面以提高界面性能。但鮮有利用文獻分析工具對微晶玻璃研究領(lǐng)域的國內(nèi)外文獻信息進行總體分析。

本文從文獻信息分析角度,以WOS核心合集中的Science Citation Index Expanded(SCI-E)為數(shù)據(jù)源,采用查全率和查準率更高的數(shù)據(jù)檢索策略,獲得微晶玻璃研究領(lǐng)域文獻數(shù)據(jù)。結(jié)合普賴斯定律和綜合指數(shù)法發(fā)掘活躍在學(xué)術(shù)前沿的核心作者,并利用CiteSpace 6 構(gòu)建微晶玻璃研究領(lǐng)域的作者科研合作網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵詞聚類可視化知識圖譜,通過對圖譜進行多維度深入剖析,將微晶玻璃研究領(lǐng)域的高產(chǎn)作者科研合作網(wǎng)絡(luò)和發(fā)展態(tài)勢可視化地呈現(xiàn)給學(xué)術(shù)研究者,為后續(xù)微晶玻璃的性能研究及商業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

知識可視化分析工具CiteSpace 6通過加權(quán)(TF)、對數(shù)似然率(LLR)、互信息(MI)等算法,對某一個研究領(lǐng)域的文獻樣本進行挖掘,根據(jù)作者、國家、關(guān)鍵詞及被引文獻之間的關(guān)系,繪制出可反映該領(lǐng)域研究熱點、發(fā)展趨勢的知識圖譜,并分時段、動態(tài)化、多維度地展示給研究者[11]。

本文所涉及的數(shù)據(jù)來源于WOS核心合集中的SCI-E數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)檢索時間范圍為2013年1月1日至2022年12月31日,為了保證一定的查準率,特檢索標題中包含“glass ceramic*”的文獻,導(dǎo)出其全記錄格式題錄信息(包括參考文獻)。檢索結(jié)果經(jīng)過篩選、去重等數(shù)據(jù)清洗處理,最終獲取到5 266篇文獻。將微晶玻璃研究領(lǐng)域文獻數(shù)據(jù)分為前(2013—2017年)和后(2018—2022年)兩個階段進行分析,這樣得出的結(jié)果不僅全面、深入、客觀,且分析出的發(fā)展態(tài)勢更具實際意義,對于研究工作者來說更具參考價值。

關(guān)鍵詞聚類分析是根據(jù)關(guān)鍵詞的共現(xiàn)情況,將聯(lián)系緊密的關(guān)鍵詞歸納總結(jié)成一個個小團體,并根據(jù)主題意思在聚類圖譜中給出聚類標簽[11]。在分析各聚類包含主題詞的同時,對關(guān)鍵文獻進行必要的內(nèi)容分析,使得出的研究熱點和發(fā)展趨勢更接近實際情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 年代分布

文獻發(fā)表數(shù)量是衡量一個研究領(lǐng)域發(fā)展情況的重要指標。微晶玻璃研究領(lǐng)域的SCI文獻發(fā)表年代分布如圖1所示。從圖1可以看出,年均發(fā)文量沒有較大浮動,且連年持續(xù)、穩(wěn)步增長。前一階段共計發(fā)表2 351篇文獻,年均發(fā)文量約為470篇(取整),后一階段發(fā)文量為2 847篇,年均發(fā)文量約為590篇(取整),較前一個階段略有上升,說明國內(nèi)外學(xué)者對微晶玻璃的關(guān)注具有一定的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

圖1 微晶玻璃SCI發(fā)文量年代分布Fig.1 Times distribution of SCI papers on glass ceramics

2.2 國家分布

微晶玻璃研究領(lǐng)域前后兩個階段的國家發(fā)文量TOP 10見表1。從表1中發(fā)現(xiàn)前后兩個階段發(fā)文量最多的國家均為中國,分別為854篇和1 191篇。前一階段中緊跟中國的是印度,發(fā)文量為196篇,接下來依次為美國、德國、俄羅斯、意大利、巴西、日本、西班牙和法國。后一階段緊跟中國的是巴西,發(fā)文量為212篇,接下來依次為印度、美國、德國、埃及、意大利、俄羅斯、日本和法國。

表1 微晶玻璃研究領(lǐng)域SCI發(fā)文量TOP 10的國家分布Table 1 TOP 10 of country distribution of SCI papers about glass ceramics

2.3 作者分析

2.3.1 作者產(chǎn)量分析

微晶玻璃研究領(lǐng)域前后兩個階段SCI論文發(fā)文量分別為2 351篇和2 847篇,分別涉及5 828位和7 773位作者,可以看出,后一個階段有更多研究者加入到微晶玻璃的研究隊伍中。限于篇幅,本文僅列出前后兩個階段SCI論文發(fā)文量TOP 5的高產(chǎn)作者,見表2,可看出前一階段發(fā)文量最多的作者是來自福建師范大學(xué)的陳大欽,發(fā)文36篇,后一階段發(fā)文量最多的作者是來自中南大學(xué)的盧安賢,發(fā)文44篇。此外來自昆明理工大學(xué)的邱建備和周大成、耶拿大學(xué)的Ruessel、帕多瓦大學(xué)的Bernardo、西班牙高等科學(xué)委員會陶瓷與玻璃研究所的Pascual、同濟大學(xué)的沈波和翟繼衛(wèi)、長春理工大學(xué)的張洪波和蘇春輝、桂林電子科技大學(xué)的陳國華、中國計量大學(xué)的徐時清、西班牙佩斯瓦索大學(xué)的Balda、馬來西亞博特拉大學(xué)的Zaid等研究工作者也對微晶玻璃研究領(lǐng)域產(chǎn)生濃厚興趣,并發(fā)表了大量文獻。其中帕多瓦大學(xué)的Bernardo從2013年到2022年共發(fā)表54篇文獻,是十年間文獻發(fā)表最多的作者。

表2 微晶玻璃研究領(lǐng)域高產(chǎn)作者Table 2 High yield authors of research on glass ceramics

2.3.2 作者科研合作網(wǎng)絡(luò)

在Citespace 6中,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點選為作者,可構(gòu)建某一領(lǐng)域研究工作者的可視化科研合作網(wǎng)絡(luò)圖譜,圖中的連線表示各個作者之間有合作。由于篇幅有限,本文僅展示前后兩個階段發(fā)文量最多的作者(陳大欽和盧安賢)的可視化科研合作網(wǎng)絡(luò)圖譜(見圖2)供科學(xué)家研究工作者參考。由圖2可知,前一階段陳大欽(36篇)分別與萬忠義(18篇)(括號中篇數(shù)為與其合作發(fā)文量,后同)、季振國(17篇)、周洋(15篇)、黃萍(10篇)、鐘家松(9篇)、劉珅(9篇)、余華(6篇)以及李心悅(6篇)等合作較為密切。后一階段盧安賢(總44篇)分別與羅志偉(21篇)、梁皓璋(18篇)、劉濤涌(18篇)、張騫(12篇)、張平(10篇)、劉嵩旋(9篇)、韓磊(9篇)以及雷微程(9篇)等合作較為密切。

圖2 微晶玻璃研究領(lǐng)域作者可視化科研合作網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.2 Visualized scientific cooperation network graph of authors in the field of glass ceramics

2.3.3 作者學(xué)術(shù)活躍度分析

經(jīng)過長時間的成果積累,某一研究領(lǐng)域總會出現(xiàn)較為活躍的學(xué)者。發(fā)表文獻數(shù)量多且論文被廣泛引用的作者我們稱之為該領(lǐng)域的學(xué)術(shù)活躍作者,他們是推動研究領(lǐng)域?qū)W術(shù)創(chuàng)新與學(xué)科發(fā)展的重要力量。本文采用普賴斯定律,先挖掘出核心作者候選人,然后結(jié)合綜合指數(shù)法最終確定活躍在學(xué)術(shù)前沿的核心作者[12]。往往論文的第一作者在論文撰寫發(fā)表過程中貢獻較大,在某研究領(lǐng)域也較活躍,因此本文核心作者的評定以第一作者為主(含獨著,不考慮第二及之后作者)。

1)核心作者候選人

前一階段共發(fā)文2 351篇,涉及到的第一作者共1 671人;后一階段共發(fā)文2 915篇,涉及到的第一作者共2 074人。前后兩個階段第一作者發(fā)文量和作者數(shù)量見表3。依據(jù)普賴斯定律,得出前一個階段第一作者最低發(fā)文量約為4篇,發(fā)文4篇以上的第一作者有61位,核心作者候選人61位。后一個階段第一作者最低發(fā)文量約為3篇,發(fā)文3篇以上的第一作者有167位,后一階段核心作者候選人為167位。

2)核心作者評定

運用綜合指數(shù)法對前后兩個階段的核心作者候選人進行進一步評定,確定核心作者姓名及數(shù)量。經(jīng)統(tǒng)計,前一階段61位核心作者候選人發(fā)表文獻總共被引8 061次,因此候選人平均被引頻次為132。后一階段167位核心作者候選人發(fā)表文獻總共被引7 160次,因此候選人平均被引頻次為42.9。作者總被引頻次指以第一作者發(fā)表的所有文獻被引頻次的總和。兼顧作者發(fā)文數(shù)量和質(zhì)量,定義候選人發(fā)文指標和被引指標的權(quán)重分別為0.5,經(jīng)計算得出綜合指數(shù),根據(jù)綜合指數(shù)法理論,綜合指數(shù)大于等于1的候選人為核心作者,且綜合指數(shù)越大,學(xué)者影響力越大。前后階段核心作者候選人中分別有17位和63位綜合學(xué)術(shù)指數(shù)大于等于1,被認定為微晶玻璃研究的核心作者,因篇幅有限,僅列出綜合指數(shù)TOP 10的核心作者,見表4。其中前后兩個階段最為活躍的作者分別為福建師范大學(xué)的陳大欽和內(nèi)蒙古科技大學(xué)的鄧磊波。

表4 微晶玻璃研究核心作者綜合指數(shù)TOP 10Table 4 TOP 10 of comprehensive index of core authors in the field of glass ceramics

2.4 前一階段微晶玻璃研究主題

對某一領(lǐng)域、某一時期的關(guān)鍵詞按照時間軸進行聚類可得到可視化時間線圖,圖中各聚類中關(guān)鍵詞的數(shù)量情況和時間跨度,反映出各聚類所代表研究領(lǐng)域的重要性和時間特征,從而看出一個特定聚類的興起、繁榮以及衰落過程,得出某一領(lǐng)域、某一時期的發(fā)展趨勢[11]。圖3為前一階段微晶玻璃研究的關(guān)鍵詞聚類可視化知識圖譜,該組文獻共出現(xiàn)了6個聚類,其中聚類編號在圖中用#0、#1、#2、#3、#4、#5表示,編號越小,聚類的規(guī)模越大。

圖3 微晶玻璃研究的關(guān)鍵詞聚類可視化知識圖譜(2013—2017)Fig.3 Keywords clustering visual knowledge graph of glass ceramics(2013—2017)

從圖3中各聚類標簽#0 luminescence(發(fā)光)、#1 bioactivity(生物活性)、#2 crystallization(結(jié)晶)、#3 dielectric property(介電性能)、#4 solid electrolyte(固態(tài)電解質(zhì))和#5 lithium disilicate(二硅酸鋰)可發(fā)現(xiàn),#0、#1、#2和#3聚類的研究主題與微晶玻璃的性能有關(guān)。聚類#4和#5的研究主題與其應(yīng)用有關(guān)。通過各個聚類的關(guān)鍵詞時間分布可發(fā)現(xiàn),時間跨度均較大,說明在這一階段研究者對這6個聚類的研究的關(guān)注度更持續(xù)、深入。本文進一步觀察各個聚類所包含的關(guān)鍵詞,對研究主題進行可視化分析,并通過Citespace 6導(dǎo)出功能,導(dǎo)出各個聚類所包含的文獻,對文獻內(nèi)容進行縱向深度剖析,讓可視化分析更深入,結(jié)果更準確。

2.4.1 光學(xué)性能

從圖3可知,#0聚類(luminescence)中出現(xiàn)的關(guān)鍵詞有l(wèi)uminescence(發(fā)光)、glass ceramics(微晶玻璃)、fluorescence(熒光)、luminescent property(發(fā)光特性)、optical thermometry(光學(xué)測溫)、light emitting diode(發(fā)光二極管)、Dy3+(鏑)、oxyfluoride glass(氟氧玻璃)、color converter(顏色轉(zhuǎn)換)、spectroscopic property(光譜特性)等,均與微晶玻璃光學(xué)性能有關(guān)。透明微晶玻璃熱膨脹系數(shù)非常低,可用于制備精密的光學(xué)設(shè)備,比如天文臺望遠鏡的光學(xué)部件、集成透鏡陣列、光學(xué)溫度傳感器等[1]。微晶玻璃透光高和發(fā)光強,可用于太陽能轉(zhuǎn)換,比如摻雜Cr元素的莫來石微晶玻璃用于制備發(fā)光太陽能聚光器,摻雜Cr元素的尖晶石微晶玻璃用于可調(diào)激光器,稀土摻雜氟氧化物用于放大、上轉(zhuǎn)換和量子切割[1]。通過分析#0聚類所包含的文獻,發(fā)現(xiàn)研究工作者對應(yīng)用于光學(xué)測溫的微晶玻璃做了大量研究,且涌現(xiàn)了大批卓著成果。其中陳大欽團隊[13-18]發(fā)表相關(guān)文獻較多,述及單摻Y(jié)b3+、Er3+、Tb3+、Eu3+、Tm3+、Ho3+等或Eu3+摻雜六方和立方NaTbF4、Er3+摻雜NaYF4、Ni2+摻雜γ-Ga2O3、Er3+摻雜β-YF3等微晶玻璃的制備技術(shù)、性能以及應(yīng)用。

此外,Stambouli等[19]研究了Eu3+摻雜碲酸鹽玻璃(主晶相為α-TeO2、γ-TeO2和TiTe3O8)的光學(xué)性能,以及Cr3+摻雜長效發(fā)光ZnGa2O4透明微晶玻璃的光學(xué)性能。Chenu等[20]制備了Ce3+-Yb3+共摻、主晶相為Y3Al5O12納米晶的透明微晶玻璃,可實現(xiàn)從可見光到近紅外的高效光譜轉(zhuǎn)換,可作為光譜轉(zhuǎn)換器來提高C—Si太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。部分研究指出Sm3+[21]、Eu3+[22]、Er3+[23]摻雜透明Willimite Zn2SiO4微晶玻璃復(fù)合材料的光學(xué)性能隨著Willemite納米晶和稀土離子進入到納米晶的結(jié)構(gòu)中而大大提高。

2.4.2 生物活性

從圖3知,#1聚類(bioactivity)包含的關(guān)鍵詞主要有g(shù)rown differentiation(生長分化)、ZnO、in vitro bioactivity(體外)、scaffold(支架)、bioactive glass(生物活性玻璃)、borate glass(硼酸鹽玻璃)、calcium phosphate(磷酸鈣)、melt、alumnosilicate glass(鋁硅酸鹽玻璃)、bone regeneration(骨再生)等,大多與微晶玻璃的生物活性有關(guān)。通過分析#0聚類所包含的文獻,發(fā)現(xiàn)研究者在微晶玻璃晶體結(jié)構(gòu)中加入特定抗菌元素(如Ag、Zn、Cu等)提高生物活性微晶玻璃的抗菌性,可制備出具有一定抗菌性的于骨替代、骨修復(fù)、骨再生的泡沫微晶玻璃支架。Baghbani等[24]研究了含有Zn、Ag的SiO2-CaO-Na2O-P2O5-MgO系微晶玻璃的抗菌(銅綠假單胞菌、大腸桿菌和白色念珠菌)性能。Bejarano等[25]研究了Cu、Zn摻雜硅酸鹽微晶玻璃的溶膠-凝膠合成及其體外生物活性,結(jié)果表明金屬離子的加入可以調(diào)節(jié)基體的織構(gòu),具有一定的細胞相容性。Chen等[26]通過海綿復(fù)制法制備三種不同成分(45S5 Bioglass、CEL2和SCNA)的泡沫狀微晶玻璃支架,體系分別為SiO2-P2O5-CaO-Na2O、SiO2-P2O5-CaO-Na2O-MgO-K2O和SiO2-CaO-Na2O-Al2O3,并對孔隙率與抗壓強度或抗拉強度之間的關(guān)系進行了系統(tǒng)的研究和建模,通過該模型預(yù)測孔隙率,通過改變實驗參數(shù)來滿足支架所需機械強度。Molino等[27]利用電泳工藝將生物活性較高的SiO2-CaO-SrO體系中的孔玻璃顆粒電泳沉積在微晶玻璃支架上,且快速在基底上形成了生物活性較高的羥基磷灰石涂層。

另一方面,與微晶玻璃生物活性有關(guān)的還有#5聚類,包含的關(guān)鍵詞有:lithium disilicate(二硅酸鋰)、zirconia(氧化鋯)、hardness(硬度)、bond strength(黏結(jié)強度)等,均與微晶玻璃牙冠有關(guān)。微晶玻璃牙冠的中間過渡態(tài)為藍色偏硅酸鋰,最終態(tài)為二硅酸鋰,臨床研究表明,這種材料具有優(yōu)良的耐磨損性能,并有著很高的成功率。Elsaka等[28]研究了氧化鋯增強鋰硅酸鹽(VS)和二硅酸鋰(IC)微晶玻璃,并比較了二者的機械強度,VS的斷裂韌性、彎曲強度、彈性模量和硬度顯著高于IC;VS的脆性指數(shù)明顯高于IC,并具有均勻的細晶結(jié)構(gòu),IC具有針狀晶體結(jié)構(gòu),見圖4。

2.4.3 固態(tài)電解質(zhì)

從圖3可看出,#4聚類包含的關(guān)鍵詞主要有silicate glass(硅酸鹽玻璃)、oxide glass(氧化物玻璃)、electrical conductivity(電導(dǎo)率)、dynamics(動力學(xué))等,與微晶玻璃應(yīng)用于固態(tài)電解質(zhì)有關(guān)。固態(tài)電解質(zhì)因其具有不泄漏、不易燃且比液體電解質(zhì)熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,可以有效改善傳統(tǒng)鋰離子電池的安全問題,其中Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(LAGP)是下一代全固態(tài)鋰電池最有前途的電解質(zhì)。Hayashi等[29]研究發(fā)現(xiàn)具有立方Na3PS4相的硫化物固體電解質(zhì),在室溫下具有較高的鈉離子電導(dǎo)率(4.6×10-4S·cm-1),全固態(tài)鈉電池Na-Sn/TiS2在室溫下可作為二次電池工作。Shin等[30]研究了各種不同構(gòu)型全固態(tài)TiS2/Li電池的電化學(xué)性能,其中固體電解質(zhì)使用Li3PS4(LPS)和Li10GeP2S12(LGPS)微晶玻璃,層間結(jié)構(gòu)示意圖見圖5;LPS與Li-In陽極((TiS2-LGPS)/(LGPS-LPS)/Li-In電池)形成界面,在1.5～3.0 V(相對于Li/Li+),在20 ℃下表現(xiàn)出～60 mA·h·g-1的容量(～25%的理論容量)。

圖5 五種不同構(gòu)型的TiS2/Li-In全固態(tài)電池示意圖[30]Fig.5 Schematic diagram of TiS2/Li-In all solid-state cells with five different configurations[30]

2.4.4 其他研究

圖3中#2 crystallization(結(jié)晶)包含的關(guān)鍵詞主要有 crystallization(結(jié)晶)、blast furnace slag(高爐渣)、fly ash(粉煤灰)、foam(發(fā)泡)、vitrification(玻璃化)、sintering behavior(燒結(jié)行為)、alkali activation (堿活化)、recovery(回收)等。#3聚類包含的關(guān)鍵詞主要有:dielectric property(介電性能)、crystallization kinetics(結(jié)晶動力學(xué))、ltcc application(ltcc應(yīng)用)、transition(轉(zhuǎn)變)、energy storage density(儲能密度)、energy storage property(儲能性能)等。可以看出近幾年科學(xué)研究者廣泛關(guān)注利用廢棄物(高爐渣、粉煤灰、廢玻璃等)制備微晶玻璃、微晶玻璃儲能應(yīng)用、微晶玻璃ITCC基板等研究主題。東華大學(xué)Ding等[31]以高爐礦渣和廢玻璃為原料,選擇TiO2、ZrO2和CaF2為成核劑,加入CaCO3、Na3PO4·12H2O和Na2B4O7·5H2O分別作為發(fā)泡劑制備發(fā)泡微晶玻璃。內(nèi)蒙古科技大學(xué)Li等[32]以白云鄂博尾礦和粉煤灰為主要原料,制備了可應(yīng)用于建筑業(yè)的CaO-MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃。

2.5 后一階段微晶玻璃研究主題

后一階段微晶玻璃研究的關(guān)鍵詞聚類可視化知識圖譜見圖6,該組文獻共出現(xiàn)了6個聚類。各聚類標簽#0 dielectric properties(介電性能)、#1 energy transfer(能量轉(zhuǎn)換)、#2 solid electrolyte(固態(tài)電解質(zhì))均與微晶玻璃應(yīng)用于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域有關(guān)。#3聚類dental(牙科)和#4聚類bioactive(生物活性)與生物活性微晶玻璃的應(yīng)用有關(guān)。#5聚類alkali activation(堿活化)與利用廢棄物制備微晶玻璃有關(guān)。

圖6 微晶玻璃研究的關(guān)鍵詞聚類可視化知識圖譜(2018—2022)Fig.6 Visualization time zone map of keywords clustering about glass ceramics(2018—2022)

2.5.1 能量轉(zhuǎn)換

從圖6中可以看出,#0聚類dielectric properties(介電性能)包含的關(guān)鍵詞主要有:crystallization behavior(結(jié)晶行為)、diopside(透輝石)、dielectric(電介質(zhì))、phosphate glass(磷酸鹽玻璃)、energy storage(儲能)。#1聚類energy transfer(能量轉(zhuǎn)換)包含的關(guān)鍵詞主要有:energy transfer(能量轉(zhuǎn)換)、optical(光學(xué))、photoluminescence property(光致發(fā)光)、transport property(傳輸特性)、emission(發(fā)射)、up-conversion(上轉(zhuǎn)換)、tellurite glass(碲化物玻璃)、superionic conductor(超導(dǎo))、tunable luminescence(可調(diào)諧發(fā)光)、rare earth(稀土)、Tb3+(鋱)、Ce3+(鈰)、Eu3+(銪)、Dy3+(鏑)等。#2聚類solid electrolyte(固態(tài)電解質(zhì))包含的關(guān)鍵詞主要有:solid electrolyte(固態(tài)電解質(zhì))、solid-state sodium battery(固態(tài)鈉電池)、dielectric properties(介電性能)、borophosphate glass(硼磷酸鹽玻璃)、lithium ion conductor(鋰離子導(dǎo)體)、energy storage(儲能)、transparent glass ceramics(透明微晶玻璃)等。微晶玻璃具有高擊穿場強,相較于陶瓷電容器可獲得更高的儲能密度,且具有高介電常數(shù),是新一代儲能電介質(zhì)材料。此外,其上轉(zhuǎn)換性能可應(yīng)用于光學(xué)溫度傳感器[33]。

通過分析該主題下的文獻,發(fā)現(xiàn)長春理工大學(xué)的張洪波、蘇春輝、鄒翔宇、王彤等合作發(fā)文較多,主要研究稀土離子單摻或者共摻透明上轉(zhuǎn)換微晶玻璃的制備及應(yīng)用,涉及到的稀土離子主要有Dy3+、Tm3+、Tb3+、Eu3+、Sm3+、Yb3+等,主晶相有Na3Gd(PO4)2[34]、Na3Y(PO4)2[35]、Ba3Gd(PO4)3[36]、NaY(MoO4)2[37]、NaLa(MoO4)2[38]、ZnMoO4[39]、Y2Ti2O7[40]、Ca2Ti2O6[41]、SrWO4[42]、KAlSiO4[43]、Na9YSi6O18[44]等;應(yīng)用領(lǐng)域涉及白光發(fā)光二極管、紅橙色發(fā)光材料、紅色上轉(zhuǎn)換發(fā)光、綠色上轉(zhuǎn)換發(fā)光、藍色到紫色的可調(diào)諧發(fā)射材料等。除此之外,該團隊還研究了用于寬色域背光顯示器的超穩(wěn)定窄帶綠光發(fā)射CsPbBr3量子點嵌入微晶玻璃。同濟大學(xué)的翟繼衛(wèi)、沈波等合作研究應(yīng)用于電容器的微晶玻璃介電材料,涉及到的系統(tǒng)主要有:鈮酸鍶鉀[45]、鈮酸鋇鉀[46]、鈮酸鋇鈉[47]、鈮酸鍶鈉[48]以及鈮酸鋇鍶鈉[49]等,其中摻雜Ta2O5的鈮酸鍶鈉系統(tǒng)[48]放電速率可達10 ns,添加Bi2O3的鈮酸鋇鈉系統(tǒng)[50]理論儲能密度可達22.48 J/cm3,添加ZrO2作為成核劑的鈮酸鋇鉛鉀系統(tǒng)[51]功率密度可達382.4 MW/cm3。來自于桂林電子科技大學(xué)的陳國華、尚飛、邢俊豪等合作研究用于光學(xué)溫度傳感器的上轉(zhuǎn)換發(fā)光透明微晶玻璃,系統(tǒng)主要涉及Yb3+、Er3+單摻或共摻NaSrPO4[52]、Ca-5(PO4)3F[53]、Sr10(PO4)6O[54]、Sr5(PO4)3F[55]、KAlSi2O6[56]、Ba2NaNb5O15[57]、NaBi(MoO4)2[58]、NaGd(MoO4)2[59]等。

2.5.2 生物活性

微晶玻璃的生物活性在人類醫(yī)療健康方面的應(yīng)用由來已久,在前一個階段中就曾出現(xiàn)此主題的聚類,比如圖3中的#1聚類bioactivity(生物活性)和#5聚類lithium disilicate(二硅酸鋰)。在后一個階段中也出現(xiàn)了有關(guān)微晶玻璃生物活性的聚類,如圖6中#3聚類dental(牙科)和#4聚類bioactive(生物活性)。生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用與人們身體健康息息相關(guān),因此學(xué)者們對該主題的關(guān)注穩(wěn)定且持續(xù)。#3聚類dental(牙科)包含的關(guān)鍵詞主要有:lithium disilicate(二硅酸鋰)、dental ceramics(牙科陶瓷)、oxynitride glass(氮氧化物玻璃)、immediate dentin(牙本質(zhì))、fracture strength(斷裂強度)、bond lithium(鍵合鋰)、adhesion(附著力)、surface roughness(表面粗糙度)、surface conditioning(表面調(diào)理)、survival(存活率)等;#4聚類bioactive(生物活性)包含的關(guān)鍵詞主要有:in vitro bioactivity(體外生物活性)、nanobioactive glass(納米生物活性玻璃)、graphene oxide(氧化石墨烯)、phosphate(磷酸鹽)、controlled crystallization(可控結(jié)晶)、fracture toughness(斷裂韌性)、biological property(生物性能)、antibacterial(抗菌性能)等。Kargozar等[60]綜述了銅摻雜生物活性玻璃(BG)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用,作為生物醫(yī)學(xué)中最常用的治療性金屬元素之一的銅摻雜到微晶玻璃中,其生物相容性和再生潛力都得到大大提高,可用于骨組織修復(fù)、軟組織治療修復(fù),此外,還可以改善細胞增殖,促進血管生成,減少甚至禁止細菌生長等。Fiume等[61]采用溶膠-凝膠法制備六元氧化物堿性體系(SiO2-P2O5-CaO-MgO-Na2O-K2O)微晶玻璃,研究其微觀結(jié)構(gòu)、織構(gòu)特性以及體外生物活性,結(jié)果表明其具有微晶玻璃的性質(zhì),仍保持著優(yōu)異的磷灰石形成能力,可用于骨修復(fù)。Borges等[62]采用溶膠-凝膠法合成(58SiO2-33CaO-9P2O5)-Fe2O3體系生物活性微晶玻璃,通過熱處理促使赤鐵礦(α-Fe2O3)納米晶體生長,賦予微晶玻璃超順磁性,結(jié)果表明結(jié)晶不會抑制材料的生物活性,仍在微晶玻璃表面形成磷酸鈣。

2.5.3 堿活化

由圖6知#5聚類alkali activation(堿活化)包含的關(guān)鍵詞主要有crystal growth(晶體生長)、fly ash(飛灰)、waste glass(廢玻璃)、sludge(污泥)、slag(礦渣)、asbestos tailings(石棉尾礦)、coal fly ash(粉煤灰)、solid waste(固體廢棄物)、thermal conductivity glass(導(dǎo)熱玻璃)、chemical durability(化學(xué)耐久性)等。飛灰、廢玻璃、污泥、礦渣、尾礦、粉煤灰等固體廢棄物如果處理不當會對環(huán)境構(gòu)成嚴重威脅,因此對其無害化處理也尤為重要。研究工作者們通過不斷嘗試,發(fā)現(xiàn)以這些固體廢棄物為原料,通過常規(guī)熔煉技術(shù)、凝膠澆注、堿活化結(jié)晶等方法可制備微晶玻璃。Zhang等[63]利用城市固體廢物焚燒粉煤灰制備分級多孔微晶玻璃,工藝圖見圖7。多孔微晶玻璃孔隙分布均勻,物理性能優(yōu)異,在建筑、過濾和吸附材料等方面具有潛在的應(yīng)用前景。

圖7 利用城市固體廢物焚燒粉煤灰制備分級多孔微晶玻璃[63]Fig.7 Synthesis of hierarchically porous glass ceramics from municipal solid waste incineration fly ash[63]

Elsayed等[64]采用凝膠澆注技術(shù)成功制備了高孔硅灰石透輝石微晶玻璃,由于Ca-Mg硅酸鹽玻璃(硅灰石和透輝石)的堿活化可獲得分散良好的濃縮懸浮液,通過低溫固化后形成C-S-H(硅酸鈣水合物)凝膠,進一步對凝膠化的懸浮液進行攪拌直接發(fā)泡以及高溫?zé)崽幚?最終制備出蜂窩狀的具備一定生物活性和強度的CEL2微晶玻璃支架,可用于骨頭的替代品,工藝圖見圖8。

圖8 堿活化、凝膠澆鑄和燒結(jié)相結(jié)合制備CEL2泡沫玻璃[64]Fig.8 Processing scheme for obtainment of CEL2 foam glass by combination of alkali activation, gel casting and sintering[64]

3 結(jié) 論

1)從發(fā)文特征來看,2013—2022 年微晶玻璃研究發(fā)文量整體增長且較為穩(wěn)定,2018—2022年,年均發(fā)文量較2013—2017年略有上升;截至2023年6月30日,同樣檢索條件,微晶玻璃研究領(lǐng)域SCI發(fā)文量已達到262篇,預(yù)計2023年論文成果仍保持在500篇以上。

2)前后兩個階段發(fā)文量最多的作者分別是來自福建師范大學(xué)的陳大欽(36篇)和中南大學(xué)的盧安賢(44篇)。前一階段陳大欽與萬忠義、季振國、周洋、黃萍、鐘家松、劉珅、余華以及李心悅等合作較為密切。后一階段盧安賢與羅志偉、梁皓璋、劉濤涌、張騫、張平、劉嵩旋、韓磊以及雷微程等合作較為密切。運用普賴斯定律和綜合指數(shù)法對作者的活躍程度進行了分析評定,結(jié)果表明,前后階段被認定為微晶玻璃研究的核心作者分別有17位和63位,前后兩個階段最為活躍的作者分別為福建師范大學(xué)的陳大欽和內(nèi)蒙古科技大學(xué)的鄧磊波。

3)從前后兩個階段微晶玻璃研究的關(guān)鍵詞聚類可視化知識圖譜可以看出,研究呈現(xiàn)出如下特點:一是兩個階段的研究均對微晶玻璃各種性能的研究關(guān)注較多,比如光學(xué)性能、生物活性、電介質(zhì)性能等,這些為微晶玻璃的實際應(yīng)用打下了堅實的理論基礎(chǔ)。二是學(xué)者對微晶玻璃生物活性和儲能應(yīng)用的關(guān)注具有穩(wěn)定性與持續(xù)性,生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用與人們身體健康息息相關(guān),而能源問題一直是國家的重大戰(zhàn)略,這都成為學(xué)界研究追蹤的重要指引。后一個階段微晶玻璃生物活性方面的研究具有穩(wěn)定性和持續(xù)性,但是在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的生物相容性、抗菌性等不容忽視,后續(xù)研究可更多關(guān)注;后一階段研究者們更多關(guān)注微晶玻璃介電性能的研究,這與其在能量轉(zhuǎn)換、能量存儲方面的應(yīng)用越來越多有關(guān),比如用作電池固體電解質(zhì);雖然微晶玻璃固體電解質(zhì)的研究取得了重大進展,但其容量有待提高。在未來,提高生物活性微晶玻璃的抗菌性、控制微晶玻璃生長微納晶相的方法以及透明發(fā)光微晶玻璃結(jié)晶度的改進技術(shù)等是微晶玻璃材料領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重要前沿方向,值得研究者們展開更深入的研究。