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引用

説明:

Assuming the heat is transported by lattice vibration (phonon) in silicate glasses, their thermal conductivity correlates with the product of sound velocity, volumetric heat capacity, and phonon mean free path (MFP). Sound velocity and heat capacity have been studied extensively, whereas the origin of the composition-induced variation in the MFP remains unclear. The present study has investigated the MFP in the Mn/2O–SiO2 (M: Li, Na, Ca, Sr, or Pb) glasses with a variation of Mn/2O content. The MFP of the silica glass decreases by adding the chosen Mn/2O. The variation in the MFP with the content of alkali and alkaline-earth cations was well expressed by a single trendline. It indicates that the effect of types of metallic cations on the MFP was small for the chosen alkali and alkaline-earth glasses. In contrast, the MFP of the lead silicate glasses was higher than those of alkali or alkaline-earth silicate glasses when the content of the metallic cations was comparable. In the silicate glass, SiO4 tetrahedra link with MOx polyhedral species with “corner ring” or “edge-sharing” linkages. The modeled glass structure by the reverse Monte Carlo method shows that the fraction of edge-sharing Si–O–M linkage in lead silicate glass is lower than that of alkali silicate glass. This tendency indicates that the stronger repulsive force between cations in the edge-sharing linkage should be the origin of the incoherent vibration mode, which reduces the MFP in the silicate glasses.

説明:

本研究では，298 K における二元系ケイ酸塩ガラスを対象とし，フォノンの平均自由行程に及ぼす M2/nO (Mn+: Li+, Na+, Ca2+, Sr2+, or Pb2+)添加の影響を調査した。ガラスの同平均自由行程は，SiO4–MONの連結が増えることにより減少した。ケイ素と金属陽イオンと結合した酸素原子の数密度(𝑛/0–1–2)が一定のとき，アルカリおよびアルカリ土類ケイ酸塩ガラスにおけるフォノンの平均自由行程は同程度の値を示した。この結果は，同平均自由行程がアルカリやアルカリ土類イオンの種類に強く依存しないことを示している。しかしながら，𝑛/0–1–2が一定のとき，鉛ケイ酸塩ガラスにおけるフォノンの平均自由行程は，アルカリまたはアルカリ土類ケイ酸塩ガラスの値よりも大きいことが見出された。この傾向は，フォノンの散乱起源と考えられる稜共有の割合の違いにより説明することができた。本研究で得られたフォノンの平均自由行程に関するデータは，鉛イオンの一部がフォノンの伝播の観点からは framework cation として挙動していることを示している。

説明:

本研究では，298 K における二元系ケイ酸塩ガラスを対象とし，フォノンの平均自由行程に及ぼす M2/nO (Mn+: Li+, Na+, Ca2+, Sr2+, or Pb2+)添加の影響を調査した。ガラスの同平均自由行程は，SiO4–MONの連結が増えることにより減少した。ケイ素と金属陽イオンと結合した酸素原子の数密度(𝑛/0–1–2)が一定のとき，アルカリおよびアルカリ土類ケイ酸塩ガラスにおけるフォノンの平均自由行程は同程度の値を示した。この結果は，同平均自由行程がアルカリやアルカリ土類イオンの種類に強く依存しないことを示している。しかしながら，𝑛/0–1–2が一定のとき，鉛ケイ酸塩ガラスにおけるフォノンの平均自由行程は，アルカリまたはアルカリ土類ケイ酸塩ガラスの値よりも大きいことが見出された。この傾向は，フォノンの散乱起源と考えられる稜共有の割合の違いにより説明することができた。本研究で得られたフォノンの平均自由行程に関するデータは，鉛イオンの一部がフォノンの伝播の観点からは framework cation として挙動していることを示している。

権利情報:

• Creative Commons BY Attribution 4.0 International
  

キーワード: phonon mean free path, silicate glasses and melts , thermal conductivity, sound velocity, framework and non-framework cations

刊行年月日: 2024-12-30

出版者:

掲載誌:

• ISIJ International (ISSN: 09151559) vol. 64 issue. 15 ISIJINT-2024-141

研究助成金:

原稿種別: 出版者版 (Version of record)

MDR DOI:

公開URL: https://doi.org/10.2355/isijinternational.isijint-2024-141

関連資料:

その他の識別子:

連絡先:

更新時刻: 2025-02-21 15:05:44 +0900

MDRでの公開時刻: 2025-01-20 12:30:30 +0900