基于可視化知識圖譜的微晶玻璃研究態勢分析

高檔妮,郭宏偉,王 毅,白 赟,高依博

(1.陜西科技大學圖書館,西安 710021;2.陜西科技大學材料科學與工程學院,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、光學性能優異等特點,這些特性使其得到廣泛應用,比如生活中常見的耐熱廚具,建筑用玻璃板材,再到衛星、航天器、天文望遠鏡等高精尖儀器儀表中的觀測鏡,半導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、牙齒修復等領域[1]。微晶玻璃的研究對國家安全、國民經濟、醫療衛生等可持續發展具有重大意義,因此備受國內外學者廣泛關注。近年來國內外學者相繼發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]綜述了高結晶度透明微晶玻璃的研究新進展,當時僅有幾個高結晶度透明微晶玻璃體系的開發研究獲得成功,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均勻地變化。2017年,Fernandes等[3]對用于骨組織修復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用。2019年,任晶等[5]對硫系發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構加工方面存在諸如通壁角的垂直度、通孔內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換發光性能和應用研究兩方面入手,介紹了該類材料的發展歷程和研究現狀。2022年,Wang等[9]介紹了光催化微晶玻璃在水凈化、細菌消毒、自清潔和析氫等領域的研究和應用。2023年,Lin等[10]討論了鋰電池用微晶玻璃固體電解質的合成和表征,提出可通過結構修飾、界面工程和制備方法的優化來設計良好的電極/電解質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域的國內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)為數據源,采用查全率和查準率更高的數據檢索策略,獲得微晶玻璃研究領域文獻數據。結合普賴斯定律和綜合指數法發掘活躍在學術前沿的核心作者,并利用CiteSpace 6 構建微晶玻璃研究領域的作者科研合作網絡和關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,將微晶玻璃研究領域的高產作者科研合作網絡和發展態勢可視化地呈現給學術研究者,為后續微晶玻璃的性能研究及商業化應用提供參考。

1 數據來源與研究方法

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

本文所涉及的數據來源于WOS核心合集中的SCI-E數據庫。數據檢索時間范圍為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,導出其全記錄格式題錄信息(包括參考文獻)。檢索結果經過篩選、去重等數據清洗處理,最終獲取到5 266篇文獻。將微晶玻璃研究領域文獻數據分為前(2013—2017年)和后(2018—2022年)兩個階段進行分析,這樣得出的結果不僅全面、深入、客觀,且分析出的發展態勢更具實際意義,對于研究工作者來說更具參考價值。

關鍵詞聚類分析是根據關鍵詞的共現情況,將聯系緊密的關鍵詞歸納總結成一個個小團體,并根據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,對關鍵文獻進行必要的內容分析,使得出的研究熱點和發展趨勢更接近實際情況。

2 結果與討論

2.1 年代分布

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

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

2.2 國家分布

微晶玻璃研究領域前后兩個階段的國家發文量TOP 10見表1。從表1中發現前后兩個階段發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 微晶玻璃研究領域SCI發文量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 作者產量分析

微晶玻璃研究領域前后兩個階段SCI論文發文量分別為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論文發文量TOP 5的高產作者,見表2,可看出前一階段發文量最多的作者是來自福建師范大學的陳大欽,發文36篇,后一階段發文量最多的作者是來自中南大學的盧安賢,發文44篇。此外來自昆明理工大學的邱建備和周大成、耶拿大學的Ruessel、帕多瓦大學的Bernardo、西班牙高等科學委員會陶瓷與玻璃研究所的Pascual、同濟大學的沈波和翟繼衛、長春理工大學的張洪波和蘇春輝、桂林電子科技大學的陳國華、中國計量大學的徐時清、西班牙佩斯瓦索大學的Balda、馬來西亞博特拉大學的Zaid等研究工作者也對微晶玻璃研究領域產生濃厚興趣,并發表了大量文獻。其中帕多瓦大學的Bernardo從2013年到2022年共發表54篇文獻,是十年間文獻發表最多的作者。

表2 微晶玻璃研究領域高產作者Table 2 High yield authors of research on glass ceramics

2.3.2 作者科研合作網絡

在Citespace 6中,網絡節點選為作者,可構建某一領域研究工作者的可視化科研合作網絡圖譜,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文量最多的作者(陳大欽和盧安賢)的可視化科研合作網絡圖譜(見圖2)供科學家研究工作者參考。由圖2可知,前一階段陳大欽(36篇)分別與萬忠義(18篇)(括號中篇數為與其合作發文量,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 微晶玻璃研究領域作者可視化科研合作網絡圖譜Fig.2 Visualized scientific cooperation network graph of authors in the field of glass ceramics

2.3.3 作者學術活躍度分析

經過長時間的成果積累,某一研究領域總會出現較為活躍的學者。發表文獻數量多且論文被廣泛引用的作者我們稱之為該領域的學術活躍作者,他們是推動研究領域學術創新與學科發展的重要力量。本文采用普賴斯定律,先挖掘出核心作者候選人,然后結合綜合指數法最終確定活躍在學術前沿的核心作者[12]。往往論文的第一作者在論文撰寫發表過程中貢獻較大,在某研究領域也較活躍,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

前一階段共發文2 351篇,涉及到的第一作者共1 671人;后一階段共發文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文量和作者數量見表3。依據普賴斯定律,得出前一個階段第一作者最低發文量約為4篇,發文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文量約為3篇,發文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量。經統計,前一階段61位核心作者候選人發表文獻總共被引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表的所有文獻被引頻次的總和。兼顧作者發文數量和質量,定義候選人發文指標和被引指標的權重分別為0.5,經計算得出綜合指數,根據綜合指數法理論,綜合指數大于等于1的候選人為核心作者,且綜合指數越大,學者影響力越大。前后階段核心作者候選人中分別有17位和63位綜合學術指數大于等于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的陳大欽和內蒙古科技大學的鄧磊波。

表4 微晶玻璃研究核心作者綜合指數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

對某一領域、某一時期的關鍵詞按照時間軸進行聚類可得到可視化時間線圖,圖中各聚類中關鍵詞的數量情況和時間跨度,反映出各聚類所代表研究領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,得出某一領域、某一時期的發展趨勢[11]。圖3為前一階段微晶玻璃研究的關鍵詞聚類可視化知識圖譜,該組文獻共出現了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,聚類的規模越大。

圖3 微晶玻璃研究的關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(發光)、#1 bioactivity(生物活性)、#2 crystallization(結晶)、#3 dielectric property(介電性能)、#4 solid electrolyte(固態電解質)和#5 lithium disilicate(二硅酸鋰)可發現,#0、#1、#2和#3聚類的研究主題與微晶玻璃的性能有關。聚類#4和#5的研究主題與其應用有關。通過各個聚類的關鍵詞時間分布可發現,時間跨度均較大,說明在這一階段研究者對這6個聚類的研究的關注度更持續、深入。本文進一步觀察各個聚類所包含的關鍵詞,對研究主題進行可視化分析,并通過Citespace 6導出功能,導出各個聚類所包含的文獻,對文獻內容進行縱向深度剖析,讓可視化分析更深入,結果更準確。

2.4.1 光學性能

從圖3可知,#0聚類(luminescence)中出現的關鍵詞有luminescence(發光)、glass ceramics(微晶玻璃)、fluorescence(熒光)、luminescent property(發光特性)、optical thermometry(光學測溫)、light emitting diode(發光二極管)、Dy3+(鏑)、oxyfluoride glass(氟氧玻璃)、color converter(顏色轉換)、spectroscopic property(光譜特性)等,均與微晶玻璃光學性能有關。透明微晶玻璃熱膨脹系數非常低,可用于制備精密的光學設備,比如天文臺望遠鏡的光學部件、集成透鏡陣列、光學溫度傳感器等[1]。微晶玻璃透光高和發光強,可用于太陽能轉換,比如摻雜Cr元素的莫來石微晶玻璃用于制備發光太陽能聚光器,摻雜Cr元素的尖晶石微晶玻璃用于可調激光器,稀土摻雜氟氧化物用于放大、上轉換和量子切割[1]。通過分析#0聚類所包含的文獻,發現研究工作者對應用于光學測溫的微晶玻璃做了大量研究,且涌現了大批卓著成果。其中陳大欽團隊[13-18]發表相關文獻較多,述及單摻Yb3+、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、性能以及應用。

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)的光學性能,以及Cr3+摻雜長效發光ZnGa2O4透明微晶玻璃的光學性能。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,可實現從可見光到近紅外的高效光譜轉換,可作為光譜轉換器來提高C—Si太陽能電池的光電轉換效率。部分研究指出Sm3+[21]、Eu3+[22]、Er3+[23]摻雜透明Willimite Zn2SiO4微晶玻璃復合材料的光學性能隨著Willemite納米晶和稀土離子進入到納米晶的結構中而大大提高。

2.4.2 生物活性

從圖3知,#1聚類(bioactivity)包含的關鍵詞主要有grown 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。通過分析#0聚類所包含的文獻,發現研究者在微晶玻璃晶體結構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、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,結果表明金屬離子的加入可以調節基體的織構,具有一定的細胞相容性。Chen等[26]通過海綿復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系進行了系統的研究和建模,通過該模型預測孔隙率,通過改變實驗參數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的還有#5聚類,包含的關鍵詞有:lithium disilicate(二硅酸鋰)、zirconia(氧化鋯)、hardness(硬度)、bond strength(黏結強度)等,均與微晶玻璃牙冠有關。微晶玻璃牙冠的中間過渡態為藍色偏硅酸鋰,最終態為二硅酸鋰,臨床研究表明,這種材料具有優良的耐磨損性能,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的脆性指數明顯高于IC,并具有均勻的細晶結構,IC具有針狀晶體結構,見圖4。

2.4.3 固態電解質

從圖3可看出,#4聚類包含的關鍵詞主要有silicate glass(硅酸鹽玻璃)、oxide glass(氧化物玻璃)、electrical conductivity(電導率)、dynamics(動力學)等,與微晶玻璃應用于固態電解質有關。固態電解質因其具有不泄漏、不易燃且比液體電解質熱穩定性好等優點,可以有效改善傳統鋰離子電池的安全問題,其中Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3(LAGP)是下一代全固態鋰電池最有前途的電解質。Hayashi等[29]研究發現具有立方Na3PS4相的硫化物固體電解質,在室溫下具有較高的鈉離子電導率(4.6×10-4S·cm-1),全固態鈉電池Na-Sn/TiS2在室溫下可作為二次電池工作。Shin等[30]研究了各種不同構型全固態TiS2/Li電池的電化學性能,其中固體電解質使用Li3PS4(LPS)和Li10GeP2S12(LGPS)微晶玻璃,層間結構示意圖見圖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 ℃下表現出～60 mA·h·g-1的容量(～25%的理論容量)。

圖5 五種不同構型的TiS2/Li-In全固態電池示意圖[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(結晶)包含的關鍵詞主要有 crystallization(結晶)、blast furnace slag(高爐渣)、fly ash(粉煤灰)、foam(發泡)、vitrification(玻璃化)、sintering behavior(燒結行為)、alkali activation (堿活化)、recovery(回收)等。#3聚類包含的關鍵詞主要有:dielectric property(介電性能)、crystallization kinetics(結晶動力學)、ltcc application(ltcc應用)、transition(轉變)、energy storage density(儲能密度)、energy storage property(儲能性能)等?？梢钥闯鼋鼛啄昕茖W研究者廣泛關注利用廢棄物(高爐渣、粉煤灰、廢玻璃等)制備微晶玻璃、微晶玻璃儲能應用、微晶玻璃ITCC基板等研究主題。東華大學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分別作為發泡劑制備發泡微晶玻璃。內蒙古科技大學Li等[32]以白云鄂博尾礦和粉煤灰為主要原料,制備了可應用于建筑業的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鍵詞聚類可視化知識圖譜見圖6,該組文獻共出現了6個聚類。各聚類標簽#0 dielectric properties(介電性能)、#1 energy transfer(能量轉換)、#2 solid electrolyte(固態電解質)均與微晶玻璃應用于能量轉換領域有關。#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用有關。#5聚類alkali activation(堿活化)與利用廢棄物制備微晶玻璃有關。

圖6 微晶玻璃研究的關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 能量轉換

從圖6中可以看出,#0聚類dielectric properties(介電性能)包含的關鍵詞主要有:crystallization behavior(結晶行為)、diopside(透輝石)、dielectric(電介質)、phosphate glass(磷酸鹽玻璃)、energy storage(儲能)。#1聚類energy transfer(能量轉換)包含的關鍵詞主要有:energy transfer(能量轉換)、optical(光學)、photoluminescence property(光致發光)、transport property(傳輸特性)、emission(發射)、up-conversion(上轉換)、tellurite glass(碲化物玻璃)、superionic conductor(超導)、tunable luminescence(可調諧發光)、rare earth(稀土)、Tb3+(鋱)、Ce3+(鈰)、Eu3+(銪)、Dy3+(鏑)等。#2聚類solid electrolyte(固態電解質)包含的關鍵詞主要有:solid electrolyte(固態電解質)、solid-state sodium battery(固態鈉電池)、dielectric properties(介電性能)、borophosphate glass(硼磷酸鹽玻璃)、lithium ion conductor(鋰離子導體)、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,是新一代儲能電介質材料。此外,其上轉換性能可應用于光學溫度傳感器[33]。

通過分析該主題下的文獻,發現長春理工大學的張洪波、蘇春輝、鄒翔宇、王彤等合作發文較多,主要研究稀土離子單摻或者共摻透明上轉換微晶玻璃的制備及應用,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;應用領域涉及白光發光二極管、紅橙色發光材料、紅色上轉換發光、綠色上轉換發光、藍色到紫色的可調諧發射材料等。除此之外,該團隊還研究了用于寬色域背光顯示器的超穩定窄帶綠光發射CsPbBr3量子點嵌入微晶玻璃。同濟大學的翟繼衛、沈波等合作研究應用于電容器的微晶玻璃介電材料,涉及到的系統主要有: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[48]放電速率可達10 ns,添加Bi2O3的鈮酸鋇鈉系統[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[51]功率密度可達382.4 MW/cm3。來自于桂林電子科技大學的陳國華、尚飛、邢俊豪等合作研究用于光學溫度傳感器的上轉換發光透明微晶玻璃,系統主要涉及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療健康方面的應用由來已久,在前一個階段中就曾出現此主題的聚類,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了有關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)。生物醫學應用與人們身體健康息息相關,因此學者們對該主題的關注穩定且持續。#3聚類dental(牙科)包含的關鍵詞主要有: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)、fracture strength(斷裂強度)、bond lithium(鍵合鋰)、adhesion(附著力)、surface roughness(表面粗糙度)、surface conditioning(表面調理)、survival(存活率)等;#4聚類bioactive(生物活性)包含的關鍵詞主要有: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)在生物醫學方面的應用,作為生物醫學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、軟組織治療修復,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,研究其微觀結構、織構特性以及體外生物活性,結果表明其具有微晶玻璃的性質,仍保持著優異的磷灰石形成能力,可用于骨修復。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,結果表明結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(導熱玻璃)、chemical durability(化學耐久性)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境構成嚴重威脅,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,發現以這些固體廢棄物為原料,通過常規熔煉技術、凝膠澆注、堿活化結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,物理性能優異,在建筑、過濾和吸附材料等方面具有潛在的應用前景。

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泡以及高溫熱處理,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、凝膠澆鑄和燒結相結合制備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 論

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

2)前后兩個階段發文量最多的作者分別是來自福建師范大學的陳大欽(36篇)和中南大學的盧安賢(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法對作者的活躍程度進行了分析評定,結果表明,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的陳大欽和內蒙古科技大學的鄧磊波。

3)從前后兩個階段微晶玻璃研究的關鍵詞聚類可視化知識圖譜可以看出,研究呈現出如下特點:一是兩個階段的研究均對微晶玻璃各種性能的研究關注較多,比如光學性能、生物活性、電介質性能等,這些為微晶玻璃的實際應用打下了堅實的理論基礎。二是學者對微晶玻璃生物活性和儲能應用的關注具有穩定性與持續性,生物醫學應用與人們身體健康息息相關,而能源問題一直是國家的重大戰略,這都成為學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定性和持續性,但是在應用過程中出現的生物相容性、抗菌性等不容忽視,后續研究可更多關注;后一階段研究者們更多關注微晶玻璃介電性能的研究,這與其在能量轉換、能量存儲方面的應用越來越多有關,比如用作電池固體電解質;雖然微晶玻璃固體電解質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光微晶玻璃結晶度的改進技術等是微晶玻璃材料領域研究和應用的重要前沿方向,值得研究者們展開更深入的研究。