通讯作者介绍

陈子威 博士

香港理工大学

2022年博士毕业于北京大学，现任香港理工大学博士后研究员，获得香港创新科技署研究人才库资助。主要从事能源与环境材料开发、硅酸盐熔体与玻璃物理化学、机器学习辅助材料设计等方面的研究。目前担任30余SCI期刊 (环境、冶金、建筑、陶瓷等领域) 审稿专家、Applied Sciences-Basel 首席客座编辑。在多本国际期刊发表SCI论文近40篇，其中一作13篇，通讯作者5篇，总被引600余次；申请中国专利10余件，其中7件获得授权。

研究背景

发泡陶瓷是由无机矿物原料与发泡剂按一定配方组成，经高温烧制而成的多孔轻质陶瓷，具有高强度、防火防水防潮、保温隔热、隔音降噪等多种优势。尾矿、废石、废玻璃、煤矸石、粉煤灰、冶金炉渣等大宗固废均可应用于发泡陶瓷的制备。通过合理的材料组成和物相设计，可以生产高品质、高性能、高附加值的固废综合利用产品。发泡陶瓷的两个重要性能指标，孔隙率和抗压强度，在很大程度上影响了该材料的应用场景。深入了解孔隙率与抗压强度之间的关系有利于设计和开发高强轻质的发泡玻璃陶瓷。

香港理工大学陈子威博士在 Materials 期刊发表文章，利用分子动力学模拟从原子尺度上揭示了发泡陶瓷内部碱金属离子与发泡气体CO₂间的强相互作用，随着CO₂的增加，孔隙相互连通，发泡陶瓷基质内元素分布及氧元素种类产生变化。在上述影响下，随着孔隙率的增加，发泡陶瓷抗压强度出现先缓慢后迅速的两阶段下降。此研究为设计高强轻质发泡玻璃陶瓷产品提供了宝贵的见解。

研究过程与结果

图1展示了试验中测得的不同孔隙率下发泡陶瓷样品的抗压强度，根据Ryshkewitch-Rice模型对于试验数据进行回归统计分析，发现最初抗压强度随着孔隙率的增加而缓慢下降；当孔隙率超过大约67%时，抗压强度随着孔隙率的增加迅速降低。为了阐明发泡陶瓷孔隙率与抗压强度之间复杂的关系，本研究采用分子动力学模拟研究了发泡玻璃陶瓷的发泡过程，通过分析玻璃陶瓷的短程和中程结构信息，研究了原子尺度下孔隙率对于微观组成的影响。

图1. 发泡陶瓷的抗压强度与孔隙率的关系。

根据图2a和b中的PDF曲线，C-O*键的平均键长为1.2 Å，而Ca-O键长为2.35 Å，Si-O为1.6 Å，Al-O为1.7 Å，Fe-O为1.95 Å，Na-O为2.55 Å。仅Ca和Na离子与CO₂分子间存在明显的相互作用。图2c中CN曲线Si-O=4处的平台证实了Si的稳定四配位结构，即SiO₄四面体。Al-O对在CN=4处也有一个略微倾斜的平台。这是因为除了四配位的铝 (AlO₄四面体) 作为网络形成子外，还有少量的铝以网络修饰子形式存在。Fe-O、Ca-O和Na-O的CN曲线的倾角逐渐增大，配位数不稳定。

图2. PDF曲线 (a和b) 和CN曲线 (c) (其中O*和O分别指CO₂和玻璃陶瓷熔体中的氧元素)。

发泡陶瓷孔壁表面和基质内元素含量如图3所示，其中Na离子在表面和基质内的含量分别为21.3%和10.0%。这是由于Na离子与CO₂之间的相互作用，在CO₂的吸引下，Na离子向孔壁表面迁移并逐渐积累。尽管PDF曲线表明Ca离子与CO₂分子之间也存在相互作用，但未出现明显的Ca离子迁移。这可能是由于Ca的离子半径比Na大，以及Ca离子在基质中的迁移率较低。Na离子在基质中的迁移将影响Si相关结构的连通性和排列。

图3. 发泡玻璃陶瓷的SEM图像与元素分布。

随着孔隙率的增加，作为网络形成子与网络修饰子的Al原子之比呈现出先降低后增长的趋势 (图4a)，与NBO和FO的相对含量变化趋势相同，而BO的相对含量则呈现出相反的趋势 (图4b)，以上变化曲线的转折点均为孔隙率66.96%。在玻璃陶瓷中，BO对于构建连续、交联的化学键网络有积极作用，有助于提高整体结构的完整性和强度。NBO和FO与结构缺陷相关，会降低结构强度。解聚程度 (NBO/T) 和结构稳定性 (O原子残余电荷) 也在孔隙率66.96%时都出现了转折 (图4c)，表明孔隙率为66.96%时体系聚合程度高，结构缺陷少。

图4. Al相关结构和氧物种的定量信息：(a) Al和 (b) 氧物种的浓度变化 (NBO表示非桥氧，FO表示自由氧，TO表示氧三簇)；(c) 解聚度NBO/T以及每个O原子的平均残余电荷 (T表示网络形成的Si和Al)。

图5显示了样品的中子结构因子随孔隙率的变化。第一尖锐衍射峰 (FSDP) 是中阶结构中环族的显著特征。随着孔隙率的增加，FSDP先左移后右移，表明小尺寸环的数量先减少后增加，总环尺寸先增大后减小，与聚合度的变化一致。第二个衍射峰，与四面体的大小相关。由于四面体类型的变化，低Q值和高Q值的次峰相继增强。中子结构分析表明，初始时孔隙率的增加造成结构有序性和聚合度的提高有利于减缓抗压强度的降低速率。超过孔隙率临界值 (66.96%) 后，孔隙率的进一步增加会造成结构破碎，导致抗压强度的快速下降。

图5. 样品的总中子结构因子和主要中子结构因子比较。

研究总结

本研究对比了发泡玻璃陶瓷在不同孔隙率 (36.68%-79.88%) 下的中短程结构，发现孔隙率的变化会强烈影响局部结构特征，从而造成抗压强度的显著变化。由于受到CO₂的吸引，观察到Na离子向孔壁表面迁移，孔壁表面富集的Na离子影响了聚合度：随着孔隙度的增加，桥氧的数量呈现先上升后下降的趋势，孔隙率为66.96%时，桥氧数量达到峰值，桥氧数量的增加可以促进化学键交联网络，从而提高了基质聚合度。中子结构分析表明，随着孔隙率的增加，四面体结构单元的总环尺寸和平均尺寸在最初增加后随之减小，变化趋势与前述聚合度一致。解聚度和每个氧原子的平均残余电荷的拐点均在孔隙率66.96%。原子尺度的中短程结构变化规律与样品的抗压强度变化一致。分析结果表明适度孔隙率可增强结构完整性和强度，强调了优化孔隙率对于生产高性能发泡陶瓷的重要性。

原文出自 Materials 期刊：https://www.mdpi.com/2823918

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料，能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征，建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**)

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.4 Days

*JCR Q1 at “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING”**JCR Q2 at “MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY”