基于可视化知识图谱的微晶玻璃研究态势分析

高档妮,郭宏伟,王 毅,白 赟,高依博

(1.陕西科技大学图书馆,西安 710021;2.陕西科技大学材料科学与工程学院,西安 710021)

0 引 言

微晶玻璃,又称玻璃陶瓷,是通过热处理控制基础玻璃成核和晶化后形成的一种多晶材料,不仅具有陶瓷耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度等固有特性,且具有玻璃易成型、光学性能优异等特点,这些特性使其得到广泛应用,比如生活中常见的耐热厨具,建筑用玻璃板材,再到卫星、航天器、天文望远镜等高精尖仪器仪表中的观测镜,半导体基片光刻用反射镜等[1]。除此之外,生物活性微晶玻璃还可用于骨替代、骨修复、牙齿修复等领域[1]。微晶玻璃的研究对国家安全、国民经济、医疗卫生等可持续发展具有重大意义,因此备受国内外学者广泛关注。近年来国内外学者相继发表不同种类微晶玻璃研究进展的综述文献。2016年,卢安贤等[2]综述了高结晶度透明微晶玻璃的研究新进展,当时仅有几个高结晶度透明微晶玻璃体系的开发研究获得成功,其主要原因是相当多体系(以Gd2O3、Ga2O3为主要组成的Gd2O3-SiO2-B2O3、Gd2O3-Ga2O3-GeO2玻璃,稀土掺杂MgO-Al2O3-SiO2、TeO2-B2O3-ZnO微晶玻璃等)的基础玻璃和微晶玻璃不容易制得,且难以确保玻璃析晶过程中组成连续均匀地变化。2017年,Fernandes等[3]对用于骨组织修复和再生且具有抗菌性能的生物活性微晶玻璃进行了综述。2018年,张浩等[4]综述了锂铝硅系光敏微晶玻璃的研究进展和应用。2019年,任晶等[5]对硫系发光微晶玻璃研究进展进行了综述,指出在光敏微晶玻璃微结构加工方面存在诸如通壁角的垂直度、通孔内壁的光滑度以及如何进一步缩小通孔直径等问题;而玻璃作为一种低介电常数和低介电损耗材料有望成为集成电路的基板材料,降低光敏微晶玻璃材料的介电常数和介电损耗具有很重要的研究意义。2019年,Miola等[6]综述了癌症治疗用微晶玻璃的发展趋势。2020年,Fu等[7]综述了新一代牙科微晶玻璃(ZrO2-SiO2纳米晶微晶玻璃)的制备和性能研究。2022年,卢小送等[8]从含二元和三元氟化物的纳米晶氟硅微晶玻璃的转换发光性能和应用研究两方面入手,介绍了该类材料的发展历程和研究现状。2022年,Wang等[9]介绍了光催化微晶玻璃在水净化、细菌消毒、自清洁和析氢等领域的研究和应用。2023年,Lin等[10]讨论了锂电池用微晶玻璃固体电解质的合成和表征,提出可通过结构修饰、界面工程和制备方法的优化来设计良好的电极/电解质接触界面以提高界面性能。但鲜有利用文献分析工具对微晶玻璃研究领域的国内外文献信息进行总体分析。

本文从文献信息分析角度,以WOS核心合集中的Science Citation Index Expanded(SCI-E)为数据源,采用查全率和查准率更高的数据检索策略,获得微晶玻璃研究领域文献数据。结合普赖斯定律和综合指数法发掘活跃在学术前沿的核心作者,并利用CiteSpace 6 构建微晶玻璃研究领域的作者科研合作网络和关键词聚类可视化知识图谱,通过对图谱进行多维度深入剖析,将微晶玻璃研究领域的高产作者科研合作网络和发展态势可视化地呈现给学术研究者,为后续微晶玻璃的性能研究及商业化应用提供参考。

1 数据来源与研究方法

知识可视化分析工具CiteSpace 6通过加权(TF)、对数似然率(LLR)、互信息(MI)等算法,对某一个研究领域的文献样本进行挖掘,根据作者、国家、关键词及被引文献之间的关系,绘制出可反映该领域研究热点、发展趋势的知识图谱,并分时段、动态化、多维度地展示给研究者[11]。

本文所涉及的数据来源于WOS核心合集中的SCI-E数据库。数据检索时间范围为2013年1月1日至2022年12月31日,为了保证一定的查准率,特检索标题中包含“glass ceramic*”的文献,导出其全记录格式题录信息(包括参考文献)。检索结果经过筛选、去重等数据清洗处理,最终获取到5 266篇文献。将微晶玻璃研究领域文献数据分为前(2013—2017年)和后(2018—2022年)两个阶段进行分析,这样得出的结果不仅全面、深入、客观,且分析出的发展态势更具实际意义,对于研究工作者来说更具参考价值。

关键词聚类分析是根据关键词的共现情况,将联系紧密的关键词归纳总结成一个个小团体,并根据主题意思在聚类图谱中给出聚类标签[11]。在分析各聚类包含主题词的同时,对关键文献进行必要的内容分析,使得出的研究热点和发展趋势更接近实际情况。

2 结果与讨论

2.1 年代分布

文献发表数量是衡量一个研究领域发展情况的重要指标。微晶玻璃研究领域的SCI文献发表年代分布如图1所示。从图1可以看出,年均发文量没有较大浮动,且连年持续、稳步增长。前一阶段共计发表2 351篇文献,年均发文量约为470篇(取整),后一阶段发文量为2 847篇,年均发文量约为590篇(取整),较前一个阶段略有上升,说明国内外学者对微晶玻璃的关注具有一定的稳定性和持续性。

图1 微晶玻璃SCI发文量年代分布Fig.1 Times distribution of SCI papers on glass ceramics

2.2 国家分布

微晶玻璃研究领域前后两个阶段的国家发文量TOP 10见表1。从表1中发现前后两个阶段发文量最多的国家均为中国,分别为854篇和1 191篇。前一阶段中紧跟中国的是印度,发文量为196篇,接下来依次为美国、德国、俄罗斯、意大利、巴西、日本、西班牙和法国。后一阶段紧跟中国的是巴西,发文量为212篇,接下来依次为印度、美国、德国、埃及、意大利、俄罗斯、日本和法国。

表1 微晶玻璃研究领域SCI发文量TOP 10的国家分布Table 1 TOP 10 of country distribution of SCI papers about glass ceramics

2.3 作者分析

2.3.1 作者产量分析

微晶玻璃研究领域前后两个阶段SCI论文发文量分别为2 351篇和2 847篇,分别涉及5 828位和7 773位作者,可以看出,后一个阶段有更多研究者加入到微晶玻璃的研究队伍中。限于篇幅,本文仅列出前后两个阶段SCI论文发文量TOP 5的高产作者,见表2,可看出前一阶段发文量最多的作者是来自福建师范大学的陈大钦,发文36篇,后一阶段发文量最多的作者是来自中南大学的卢安贤,发文44篇。此外来自昆明理工大学的邱建备和周大成、耶拿大学的Ruessel、帕多瓦大学的Bernardo、西班牙高等科学委员会陶瓷与玻璃研究所的Pascual、同济大学的沈波和翟继卫、长春理工大学的张洪波和苏春辉、桂林电子科技大学的陈国华、中国计量大学的徐时清、西班牙佩斯瓦索大学的Balda、马来西亚博特拉大学的Zaid等研究工作者也对微晶玻璃研究领域产生浓厚兴趣,并发表了大量文献。其中帕多瓦大学的Bernardo从2013年到2022年共发表54篇文献,是十年间文献发表最多的作者。

表2 微晶玻璃研究领域高产作者Table 2 High yield authors of research on glass ceramics

2.3.2 作者科研合作网络

在Citespace 6中,网络节点选为作者,可构建某一领域研究工作者的可视化科研合作网络图谱,图中的连线表示各个作者之间有合作。由于篇幅有限,本文仅展示前后两个阶段发文量最多的作者(陈大钦和卢安贤)的可视化科研合作网络图谱(见图2)供科学家研究工作者参考。由图2可知,前一阶段陈大钦(36篇)分别与万忠义(18篇)(括号中篇数为与其合作发文量,后同)、季振国(17篇)、周洋(15篇)、黄萍(10篇)、钟家松(9篇)、刘珅(9篇)、余华(6篇)以及李心悦(6篇)等合作较为密切。后一阶段卢安贤(总44篇)分别与罗志伟(21篇)、梁皓璋(18篇)、刘涛涌(18篇)、张骞(12篇)、张平(10篇)、刘嵩旋(9篇)、韩磊(9篇)以及雷微程(9篇)等合作较为密切。

图2 微晶玻璃研究领域作者可视化科研合作网络图谱Fig.2 Visualized scientific cooperation network graph of authors in the field of glass ceramics

2.3.3 作者学术活跃度分析

经过长时间的成果积累,某一研究领域总会出现较为活跃的学者。发表文献数量多且论文被广泛引用的作者我们称之为该领域的学术活跃作者,他们是推动研究领域学术创新与学科发展的重要力量。本文采用普赖斯定律,先挖掘出核心作者候选人,然后结合综合指数法最终确定活跃在学术前沿的核心作者[12]。往往论文的第一作者在论文撰写发表过程中贡献较大,在某研究领域也较活跃,因此本文核心作者的评定以第一作者为主(含独著,不考虑第二及之后作者)。

1)核心作者候选人

前一阶段共发文2 351篇,涉及到的第一作者共1 671人;后一阶段共发文2 915篇,涉及到的第一作者共2 074人。前后两个阶段第一作者发文量和作者数量见表3。依据普赖斯定律,得出前一个阶段第一作者最低发文量约为4篇,发文4篇以上的第一作者有61位,核心作者候选人61位。后一个阶段第一作者最低发文量约为3篇,发文3篇以上的第一作者有167位,后一阶段核心作者候选人为167位。

2)核心作者评定

运用综合指数法对前后两个阶段的核心作者候选人进行进一步评定,确定核心作者姓名及数量。经统计,前一阶段61位核心作者候选人发表文献总共被引8 061次,因此候选人平均被引频次为132。后一阶段167位核心作者候选人发表文献总共被引7 160次,因此候选人平均被引频次为42.9。作者总被引频次指以第一作者发表的所有文献被引频次的总和。兼顾作者发文数量和质量,定义候选人发文指标和被引指标的权重分别为0.5,经计算得出综合指数,根据综合指数法理论,综合指数大于等于1的候选人为核心作者,且综合指数越大,学者影响力越大。前后阶段核心作者候选人中分别有17位和63位综合学术指数大于等于1,被认定为微晶玻璃研究的核心作者,因篇幅有限,仅列出综合指数TOP 10的核心作者,见表4。其中前后两个阶段最为活跃的作者分别为福建师范大学的陈大钦和内蒙古科技大学的邓磊波。

表4 微晶玻璃研究核心作者综合指数TOP 10Table 4 TOP 10 of comprehensive index of core authors in the field of glass ceramics

2.4 前一阶段微晶玻璃研究主题

对某一领域、某一时期的关键词按照时间轴进行聚类可得到可视化时间线图,图中各聚类中关键词的数量情况和时间跨度,反映出各聚类所代表研究领域的重要性和时间特征,从而看出一个特定聚类的兴起、繁荣以及衰落过程,得出某一领域、某一时期的发展趋势[11]。图3为前一阶段微晶玻璃研究的关键词聚类可视化知识图谱,该组文献共出现了6个聚类,其中聚类编号在图中用#0、#1、#2、#3、#4、#5表示,编号越小,聚类的规模越大。

图3 微晶玻璃研究的关键词聚类可视化知识图谱(2013—2017)Fig.3 Keywords clustering visual knowledge graph of glass ceramics(2013—2017)

从图3中各聚类标签#0 luminescence(发光)、#1 bioactivity(生物活性)、#2 crystallization(结晶)、#3 dielectric property(介电性能)、#4 solid electrolyte(固态电解质)和#5 lithium disilicate(二硅酸锂)可发现,#0、#1、#2和#3聚类的研究主题与微晶玻璃的性能有关。聚类#4和#5的研究主题与其应用有关。通过各个聚类的关键词时间分布可发现,时间跨度均较大,说明在这一阶段研究者对这6个聚类的研究的关注度更持续、深入。本文进一步观察各个聚类所包含的关键词,对研究主题进行可视化分析,并通过Citespace 6导出功能,导出各个聚类所包含的文献,对文献内容进行纵向深度剖析,让可视化分析更深入,结果更准确。

2.4.1 光学性能

从图3可知,#0聚类(luminescence)中出现的关键词有luminescence(发光)、glass ceramics(微晶玻璃)、fluorescence(荧光)、luminescent property(发光特性)、optical thermometry(光学测温)、light emitting diode(发光二极管)、Dy3+(镝)、oxyfluoride glass(氟氧玻璃)、color converter(颜色转换)、spectroscopic property(光谱特性)等,均与微晶玻璃光学性能有关。透明微晶玻璃热膨胀系数非常低,可用于制备精密的光学设备,比如天文台望远镜的光学部件、集成透镜阵列、光学温度传感器等[1]。微晶玻璃透光高和发光强,可用于太阳能转换,比如掺杂Cr元素的莫来石微晶玻璃用于制备发光太阳能聚光器,掺杂Cr元素的尖晶石微晶玻璃用于可调激光器,稀土掺杂氟氧化物用于放大、上转换和量子切割[1]。通过分析#0聚类所包含的文献,发现研究工作者对应用于光学测温的微晶玻璃做了大量研究,且涌现了大批卓著成果。其中陈大钦团队[13-18]发表相关文献较多,述及单掺Yb3+、Er3+、Tb3+、Eu3+、Tm3+、Ho3+等或Eu3+掺杂六方和立方NaTbF4、Er3+掺杂NaYF4、Ni2+掺杂γ-Ga2O3、Er3+掺杂β-YF3等微晶玻璃的制备技术、性能以及应用。

此外,Stambouli等[19]研究了Eu3+掺杂碲酸盐玻璃(主晶相为α-TeO2、γ-TeO2和TiTe3O8)的光学性能,以及Cr3+掺杂长效发光ZnGa2O4透明微晶玻璃的光学性能。Chenu等[20]制备了Ce3+-Yb3+共掺、主晶相为Y3Al5O12纳米晶的透明微晶玻璃,可实现从可见光到近红外的高效光谱转换,可作为光谱转换器来提高C—Si太阳能电池的光电转换效率。部分研究指出Sm3+[21]、Eu3+[22]、Er3+[23]掺杂透明Willimite Zn2SiO4微晶玻璃复合材料的光学性能随着Willemite纳米晶和稀土离子进入到纳米晶的结构中而大大提高。

2.4.2 生物活性

从图3知,#1聚类(bioactivity)包含的关键词主要有grown differentiation(生长分化)、ZnO、in vitro bioactivity(体外)、scaffold(支架)、bioactive glass(生物活性玻璃)、borate glass(硼酸盐玻璃)、calcium phosphate(磷酸钙)、melt、alumnosilicate glass(铝硅酸盐玻璃)、bone regeneration(骨再生)等,大多与微晶玻璃的生物活性有关。通过分析#0聚类所包含的文献,发现研究者在微晶玻璃晶体结构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,可制备出具有一定抗菌性的于骨替代、骨修复、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(铜绿假单胞菌、大肠杆菌和白色念珠菌)性能。Bejarano等[25]研究了Cu、Zn掺杂硅酸盐微晶玻璃的溶胶-凝胶合成及其体外生物活性,结果表明金属离子的加入可以调节基体的织构,具有一定的细胞相容性。Chen等[26]通过海绵复制法制备三种不同成分(45S5 Bioglass、CEL2和SCNA)的泡沫状微晶玻璃支架,体系分别为SiO2-P2O5-CaO-Na2O、SiO2-P2O5-CaO-Na2O-MgO-K2O和SiO2-CaO-Na2O-Al2O3,并对孔隙率与抗压强度或抗拉强度之间的关系进行了系统的研究和建模,通过该模型预测孔隙率,通过改变实验参数来满足支架所需机械强度。Molino等[27]利用电泳工艺将生物活性较高的SiO2-CaO-SrO体系中的孔玻璃颗粒电泳沉积在微晶玻璃支架上,且快速在基底上形成了生物活性较高的羟基磷灰石涂层。

另一方面,与微晶玻璃生物活性有关的还有#5聚类,包含的关键词有:lithium disilicate(二硅酸锂)、zirconia(氧化锆)、hardness(硬度)、bond strength(黏结强度)等,均与微晶玻璃牙冠有关。微晶玻璃牙冠的中间过渡态为蓝色偏硅酸锂,最终态为二硅酸锂,临床研究表明,这种材料具有优良的耐磨损性能,并有着很高的成功率。Elsaka等[28]研究了氧化锆增强锂硅酸盐(VS)和二硅酸锂(IC)微晶玻璃,并比较了二者的机械强度,VS的断裂韧性、弯曲强度、弹性模量和硬度显著高于IC;VS的脆性指数明显高于IC,并具有均匀的细晶结构,IC具有针状晶体结构,见图4。

2.4.3 固态电解质

从图3可看出,#4聚类包含的关键词主要有silicate glass(硅酸盐玻璃)、oxide glass(氧化物玻璃)、electrical conductivity(电导率)、dynamics(动力学)等,与微晶玻璃应用于固态电解质有关。固态电解质因其具有不泄漏、不易燃且比液体电解质热稳定性好等优点,可以有效改善传统锂离子电池的安全问题,其中Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(LAGP)是下一代全固态锂电池最有前途的电解质。Hayashi等[29]研究发现具有立方Na3PS4相的硫化物固体电解质,在室温下具有较高的钠离子电导率(4.6×10-4S·cm-1),全固态钠电池Na-Sn/TiS2在室温下可作为二次电池工作。Shin等[30]研究了各种不同构型全固态TiS2/Li电池的电化学性能,其中固体电解质使用Li3PS4(LPS)和Li10GeP2S12(LGPS)微晶玻璃,层间结构示意图见图5;LPS与Li-In阳极((TiS2-LGPS)/(LGPS-LPS)/Li-In电池)形成界面,在1.5～3.0 V(相对于Li/Li+),在20 ℃下表现出～60 mA·h·g-1的容量(～25%的理论容量)。

图5 五种不同构型的TiS2/Li-In全固态电池示意图[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

图3中#2 crystallization(结晶)包含的关键词主要有 crystallization(结晶)、blast furnace slag(高炉渣)、fly ash(粉煤灰)、foam(发泡)、vitrification(玻璃化)、sintering behavior(烧结行为)、alkali activation (碱活化)、recovery(回收)等。#3聚类包含的关键词主要有:dielectric property(介电性能)、crystallization kinetics(结晶动力学)、ltcc application(ltcc应用)、transition(转变)、energy storage density(储能密度)、energy storage property(储能性能)等。可以看出近几年科学研究者广泛关注利用废弃物(高炉渣、粉煤灰、废玻璃等)制备微晶玻璃、微晶玻璃储能应用、微晶玻璃ITCC基板等研究主题。东华大学Ding等[31]以高炉矿渣和废玻璃为原料,选择TiO2、ZrO2和CaF2为成核剂,加入CaCO3、Na3PO4·12H2O和Na2B4O7·5H2O分别作为发泡剂制备发泡微晶玻璃。内蒙古科技大学Li等[32]以白云鄂博尾矿和粉煤灰为主要原料,制备了可应用于建筑业的CaO-MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃。

2.5 后一阶段微晶玻璃研究主题

后一阶段微晶玻璃研究的关键词聚类可视化知识图谱见图6,该组文献共出现了6个聚类。各聚类标签#0 dielectric properties(介电性能)、#1 energy transfer(能量转换)、#2 solid electrolyte(固态电解质)均与微晶玻璃应用于能量转换领域有关。#3聚类dental(牙科)和#4聚类bioactive(生物活性)与生物活性微晶玻璃的应用有关。#5聚类alkali activation(碱活化)与利用废弃物制备微晶玻璃有关。

图6 微晶玻璃研究的关键词聚类可视化知识图谱(2018—2022)Fig.6 Visualization time zone map of keywords clustering about glass ceramics(2018—2022)

2.5.1 能量转换

从图6中可以看出,#0聚类dielectric properties(介电性能)包含的关键词主要有:crystallization behavior(结晶行为)、diopside(透辉石)、dielectric(电介质)、phosphate glass(磷酸盐玻璃)、energy storage(储能)。#1聚类energy transfer(能量转换)包含的关键词主要有:energy transfer(能量转换)、optical(光学)、photoluminescence property(光致发光)、transport property(传输特性)、emission(发射)、up-conversion(上转换)、tellurite glass(碲化物玻璃)、superionic conductor(超导)、tunable luminescence(可调谐发光)、rare earth(稀土)、Tb3+(铽)、Ce3+(铈)、Eu3+(铕)、Dy3+(镝)等。#2聚类solid electrolyte(固态电解质)包含的关键词主要有:solid electrolyte(固态电解质)、solid-state sodium battery(固态钠电池)、dielectric properties(介电性能)、borophosphate glass(硼磷酸盐玻璃)、lithium ion conductor(锂离子导体)、energy storage(储能)、transparent glass ceramics(透明微晶玻璃)等。微晶玻璃具有高击穿场强,相较于陶瓷电容器可获得更高的储能密度,且具有高介电常数,是新一代储能电介质材料。此外,其上转换性能可应用于光学温度传感器[33]。

通过分析该主题下的文献,发现长春理工大学的张洪波、苏春辉、邹翔宇、王彤等合作发文较多,主要研究稀土离子单掺或者共掺透明上转换微晶玻璃的制备及应用,涉及到的稀土离子主要有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;应用领域涉及白光发光二极管、红橙色发光材料、红色上转换发光、绿色上转换发光、蓝色到紫色的可调谐发射材料等。除此之外,该团队还研究了用于宽色域背光显示器的超稳定窄带绿光发射CsPbBr3量子点嵌入微晶玻璃。同济大学的翟继卫、沈波等合作研究应用于电容器的微晶玻璃介电材料,涉及到的系统主要有:铌酸锶钾[45]、铌酸钡钾[46]、铌酸钡钠[47]、铌酸锶钠[48]以及铌酸钡锶钠[49]等,其中掺杂Ta2O5的铌酸锶钠系统[48]放电速率可达10 ns,添加Bi2O3的铌酸钡钠系统[50]理论储能密度可达22.48 J/cm3,添加ZrO2作为成核剂的铌酸钡铅钾系统[51]功率密度可达382.4 MW/cm3。来自于桂林电子科技大学的陈国华、尚飞、邢俊豪等合作研究用于光学温度传感器的上转换发光透明微晶玻璃,系统主要涉及Yb3+、Er3+单掺或共掺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类医疗健康方面的应用由来已久,在前一个阶段中就曾出现此主题的聚类,比如图3中的#1聚类bioactivity(生物活性)和#5聚类lithium disilicate(二硅酸锂)。在后一个阶段中也出现了有关微晶玻璃生物活性的聚类,如图6中#3聚类dental(牙科)和#4聚类bioactive(生物活性)。生物医学应用与人们身体健康息息相关,因此学者们对该主题的关注稳定且持续。#3聚类dental(牙科)包含的关键词主要有:lithium disilicate(二硅酸锂)、dental ceramics(牙科陶瓷)、oxynitride glass(氮氧化物玻璃)、immediate dentin(牙本质)、fracture strength(断裂强度)、bond lithium(键合锂)、adhesion(附着力)、surface roughness(表面粗糙度)、surface conditioning(表面调理)、survival(存活率)等;#4聚类bioactive(生物活性)包含的关键词主要有:in vitro bioactivity(体外生物活性)、nanobioactive glass(纳米生物活性玻璃)、graphene oxide(氧化石墨烯)、phosphate(磷酸盐)、controlled crystallization(可控结晶)、fracture toughness(断裂韧性)、biological property(生物性能)、antibacterial(抗菌性能)等。Kargozar等[60]综述了铜掺杂生物活性玻璃(BG)在生物医学方面的应用,作为生物医学中最常用的治疗性金属元素之一的铜掺杂到微晶玻璃中,其生物相容性和再生潜力都得到大大提高,可用于骨组织修复、软组织治疗修复,此外,还可以改善细胞增殖,促进血管生成,减少甚至禁止细菌生长等。Fiume等[61]采用溶胶-凝胶法制备六元氧化物碱性体系(SiO2-P2O5-CaO-MgO-Na2O-K2O)微晶玻璃,研究其微观结构、织构特性以及体外生物活性,结果表明其具有微晶玻璃的性质,仍保持着优异的磷灰石形成能力,可用于骨修复。Borges等[62]采用溶胶-凝胶法合成(58SiO2-33CaO-9P2O5)-Fe2O3体系生物活性微晶玻璃,通过热处理促使赤铁矿(α-Fe2O3)纳米晶体生长,赋予微晶玻璃超顺磁性,结果表明结晶不会抑制材料的生物活性,仍在微晶玻璃表面形成磷酸钙。

2.5.3 碱活化

由图6知#5聚类alkali activation(碱活化)包含的关键词主要有crystal growth(晶体生长)、fly ash(飞灰)、waste glass(废玻璃)、sludge(污泥)、slag(矿渣)、asbestos tailings(石棉尾矿)、coal fly ash(粉煤灰)、solid waste(固体废弃物)、thermal conductivity glass(导热玻璃)、chemical durability(化学耐久性)等。飞灰、废玻璃、污泥、矿渣、尾矿、粉煤灰等固体废弃物如果处理不当会对环境构成严重威胁,因此对其无害化处理也尤为重要。研究工作者们通过不断尝试,发现以这些固体废弃物为原料,通过常规熔炼技术、凝胶浇注、碱活化结晶等方法可制备微晶玻璃。Zhang等[63]利用城市固体废物焚烧粉煤灰制备分级多孔微晶玻璃,工艺图见图7。多孔微晶玻璃孔隙分布均匀,物理性能优异,在建筑、过滤和吸附材料等方面具有潜在的应用前景。

图7 利用城市固体废物焚烧粉煤灰制备分级多孔微晶玻璃[63]Fig.7 Synthesis of hierarchically porous glass ceramics from municipal solid waste incineration fly ash[63]

Elsayed等[64]采用凝胶浇注技术成功制备了高孔硅灰石透辉石微晶玻璃,由于Ca-Mg硅酸盐玻璃(硅灰石和透辉石)的碱活化可获得分散良好的浓缩悬浮液,通过低温固化后形成C-S-H(硅酸钙水合物)凝胶,进一步对凝胶化的悬浮液进行搅拌直接发泡以及高温热处理,最终制备出蜂窝状的具备一定生物活性和强度的CEL2微晶玻璃支架,可用于骨头的替代品,工艺图见图8。

图8 碱活化、凝胶浇铸和烧结相结合制备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 结 论

1)从发文特征来看,2013—2022 年微晶玻璃研究发文量整体增长且较为稳定,2018—2022年,年均发文量较2013—2017年略有上升;截至2023年6月30日,同样检索条件,微晶玻璃研究领域SCI发文量已达到262篇,预计2023年论文成果仍保持在500篇以上。

2)前后两个阶段发文量最多的作者分别是来自福建师范大学的陈大钦(36篇)和中南大学的卢安贤(44篇)。前一阶段陈大钦与万忠义、季振国、周洋、黄萍、钟家松、刘珅、余华以及李心悦等合作较为密切。后一阶段卢安贤与罗志伟、梁皓璋、刘涛涌、张骞、张平、刘嵩旋、韩磊以及雷微程等合作较为密切。运用普赖斯定律和综合指数法对作者的活跃程度进行了分析评定,结果表明,前后阶段被认定为微晶玻璃研究的核心作者分别有17位和63位,前后两个阶段最为活跃的作者分别为福建师范大学的陈大钦和内蒙古科技大学的邓磊波。

3)从前后两个阶段微晶玻璃研究的关键词聚类可视化知识图谱可以看出,研究呈现出如下特点:一是两个阶段的研究均对微晶玻璃各种性能的研究关注较多,比如光学性能、生物活性、电介质性能等,这些为微晶玻璃的实际应用打下了坚实的理论基础。二是学者对微晶玻璃生物活性和储能应用的关注具有稳定性与持续性,生物医学应用与人们身体健康息息相关,而能源问题一直是国家的重大战略,这都成为学界研究追踪的重要指引。后一个阶段微晶玻璃生物活性方面的研究具有稳定性和持续性,但是在应用过程中出现的生物相容性、抗菌性等不容忽视,后续研究可更多关注;后一阶段研究者们更多关注微晶玻璃介电性能的研究,这与其在能量转换、能量存储方面的应用越来越多有关,比如用作电池固体电解质;虽然微晶玻璃固体电解质的研究取得了重大进展,但其容量有待提高。在未来,提高生物活性微晶玻璃的抗菌性、控制微晶玻璃生长微纳晶相的方法以及透明发光微晶玻璃结晶度的改进技术等是微晶玻璃材料领域研究和应用的重要前沿方向,值得研究者们展开更深入的研究。