矿渣微晶玻璃微观缺陷及界面结构的实验与模拟研究

矿渣微晶玻璃被认为是21世纪具有广阔发展前景的新材料，也是当前优先发展的高技术产业，然而由于矿渣微晶玻璃生产的复杂性，实现矿渣微晶玻璃的工业化生产还有很多技术问题需要解决。本项目拟采用分子动力学模拟、全组态完全对角化方法，结合正电子湮没、电子自旋共振、中子衍射等先进分析测试技术，系统研究化学组成、晶核剂种类及数量、晶化工艺条件等对矿渣微晶玻璃的电子状态、微缺陷、晶界结构的形成和演化过程的影响特征，从理论和实验上解释矿渣微晶玻璃微观结构的形成机制，揭示晶核剂的作用机理，明确矿渣微晶玻璃组成、工艺、结构和性能之间的关系，使矿渣微晶玻璃的设计与研究上升到原子和分子水平，为矿渣微晶玻璃微观结构的控制，晶核剂种类与数量的选择，晶化工艺条件的优化，提供先期的理论预测与科学依据，以理论指导工艺的改进，加速矿渣微晶玻璃产业化的进程。

本项目采用分子动力学模拟结合XRD、SEM、PAT、ESR等先进分析测试技术，系统研究了化学组成、晶核剂种类及数量、晶化工艺条件等对CaO/MgO-Al2O3-SiO2系矿渣微晶玻璃的电子状态、微缺陷、晶界结构的形成及力学性能的影响。主晶相为堇青石的MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃在凝固过程中，冷却速率对微晶玻璃的析晶及玻璃化有很大影响，当冷却速率过大时，原子来不及发生大规模位移而被“冻结”，其原子迁移至平衡位置的能力受到了一定抑制，原子排布发生了一定程度无序化而形成部分非晶。当以适宜的冷却速率降温时，玻璃体将会有晶相得析出，从而最终形成含有部分晶相微晶玻璃。在CaO-Al2O3-SiO2（CAS）系玻璃的微观结构中，玻璃结构骨架由Si4+、Al3+离子与O2-离子构成四面体之间无序排列，SiO4、AlO4四面体都是共角顶联结，而没有共棱、共面。随着Ca2+离子的增多，Ca2+离子吸引氧原子并与Si4+ 、Al3+离子进行抗争，从而使部分作为桥氧的T-O-T(T为Si或Al)键断裂，自由氧增多，非桥氧含量变大。SiO4、AlO4四面体联结变的疏松，网络的聚合度也越来越小，同时随着温度的增高，T-O（T为Si、Al）键变弱而断裂使体系中桥氧也逐渐的减少。以赤泥为原料制备的CAS系微晶玻璃中，当赤泥的添加量为32%时，抗弯强度达到最大值，为179MPa，显微硬度是865HV，但过多赤泥的加入，会导致晶体过多，微晶玻璃体内的长程无序度增加，Si-O-Si， Si-O-Al和Al-O-Al部分骨架断裂，微晶玻璃的机械性能变弱。本项目采用分子动力学模拟从分子原子水平上解释矿渣微晶玻璃微观结构的形成机制，揭示晶核剂的作用机理，明确微晶玻璃组成、工艺、结构和性能之间的关系，为矿渣微晶玻璃产业化提供先期的理论预测与科学依据。