Surface Tension Modelling of Molten Oxides based on Relaxation Mechanism of Surface Ionic Structure

基于表面离子结构弛豫机制的熔融氧化物表面张力建模

• 批准号: 21H01683
• 负责人: 鈴木 賢紀
• 金额: $ 11.15万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01683/
• 关键词: 表面張力; 表面イオン構造; 表面緩和; マランゴニ流; 表面イオン構造緩和; 軟X線吸収分光; Polarization ion model; 架橋酸素イオン; Polarizable Ion Model; 斜入射X線広角散乱

溶融酸化物の表面張力は、高温材料プロセスの操業安定性や品質精度を左右する物性であるが、制御が非常に難しい。表面張力の値を大幅に変化させる表面イオン構造緩和の実態が未解明であり、表面構造の緩和が表面張力に及ぼす影響の定量化が未踏の課題である。本研究の目的は、表面に特化した構造解析によって、溶融酸化物の表面構造緩和の実態を解明するとともに、表面構造緩和の各要素が表面張力に及ぼす影響度を定量的に評価し、溶融酸化物の表面張力の予測式を新たに構築することである。本年度は、昨年度導入したガスジェット浮遊レーザ加熱装置を用いたガラス試料作製ならびに軟X線分光分析と、イオン間の分極を考慮したPolarizable Ion Modelによる分子動力学（MD）計算を行い、溶融酸化物の表面イオン配位構造を実験と計算の両面から解析する研究を行った。具体的には、Al2O3-CaO融体の表面イオン構造についてAl2O3/CaO組成比による変化に注目して、融体を急冷し、表面緩和のための熱処理を施したガラス試料に対し軟X線分光分析を行った。表面では内部に比べ、共有結合性の強い酸素4配位のAlイオン（AlO4）の存在率が高く、AlO4同士が連結し合うことで架橋酸素イオンが形成され易い傾向を確認した。Al2O3濃度が高いほど上記の傾向は顕著であった。同様の傾向は融体を対象とした表面を含む系に対するMD計算からも確認できた。したがって、Al2O3-CaO融体ではAl2O3濃度が高いほど、AlO4同士による架橋酸素イオンの形成が支配的な表面緩和形態となることを明らかにした。また、表面活性成分であるSiO2の添加がAl2O3-CaO融体の表面イオン構造に与える影響についても研究を行った。表面では内部よりも架橋酸素イオンが形成され易いが、具体的なイオン配位形態は微量のSiO2添加でも顕著に異なることが明らかになった。

熔融氧化物的表面张力是一种物理特性，会影响高温物质过程的操作稳定性和质量准确性，但极难控制。表面离子结构弛豫的现实尚不清楚表面张力的价值，并且量化表面结构弛豫对表面张力的影响是一个未开发的问题。这项研究的目的是通过表面特异性结构分析阐明熔融氧化物的表面结构弛豫状态，并定量评估表面结构弛豫对表面张力的每个元素的影响程度，并构建一个新方程，以预测熔融氧化物的表面张力。今年，我们使用去年引入的气体喷射激光加热设备，软X射线光谱分析和分子动力学（MD）计算进行了玻璃样品，并使用可极化离子模型计算了离子之间的极化模型，并考虑了用于分析实验和法规的氧化氧化物表面离子配位结构的研究。具体而言，对玻璃样品进行了软X射线光谱，该玻璃样品对Al2O3-CAO熔体的表面离子结构进行了淬灭，重点是由于熔体而导致的Al2O3/CaO组成比的变化，并受到热处理的热处理。与内部相比，表面具有高共价氧氧（ALO4）的高共价存在（ALO4），并且已证实ALO4连接在一起形成交联的氧离子。 AL2O3浓度越高，上述趋势值得注意。通过MD计算，对于包含靶向熔体的表面的系统证实了类似的趋势。因此，发现Al2O3-CAO熔体越高，Alo4相互形成的交联氧离子就越成为主要的表面弛豫形式。我们还研究了添加SiO2（一种表面活性成分）对Al2O3-CAO熔体表面离子结构的影响。尽管交联的氧离子在表面上的可能性更大，而不是内部形成，但已经表明，即使添加了少量的SiO2，特定的离子配位形态也有显着差异。

项目成果

xAl2O3-(1-x)CaO(x=0.25-0.50)融体の表面緩和機構に対する分子動力学計算

xAl2O3-(1-x)CaO(x=0.25-0.50)熔体表面弛豫机理的分子动力学计算

• 发表时间: 2022
• 作者: 鈴木賢紀;梅咲則正;石井良樹
• 通讯作者: 石井良樹