高BaO铝硅酸盐熔体网络结构与流动性的关联机制：分子动力学模拟与拉曼光谱解析

针对高BaO铝硅酸盐熔体在玻璃陶瓷制备和炼铁过程中的关键作用，研究人员通过分子动力学(MD)模拟和拉曼光谱技术，系统研究了BaO含量(0-20wt%)对低碱度熔体网络结构和黏度的影响。发现BaO通过提供O2?解聚作用和Ba2+电荷补偿作用的动态平衡，显著降低熔体黏度，并揭示了[AlO4]向[AlO5/6]转化及Qn结构单元解聚的微观机制，为工业熔体性能调控提供理论依据。

　　

在玻璃陶瓷和炼铁工业中，铝硅酸盐熔体的流动性直接决定产品质量和生产效率。特别是含BaO的熔体，因其能降低熔化温度、改善性能而备受关注。然而，BaO对熔体结构的影响犹如"双刃剑"：一方面，其解离的O^2?能破坏网络结构；另一方面，Ba²⁺又能通过电荷补偿稳定[AlO₄]四面体。这种矛盾行为使得高BaO含量(>10wt%)在低碱度熔体中的作用机制成为未解之谜。更棘手的是，现有研究多聚焦高碱度体系，对酸性熔体中BaO的"剂量-效应"关系缺乏系统认知。

武汉科技大学的研究团队在《Journal of Non-Crystalline Solids》发表的研究，首次揭示了高BaO含量(0-20wt%)对酸性CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃熔体结构与流动性的调控规律。通过旋转黏度计、分子动力学(MD)模拟和拉曼光谱三位一体的研究手段，他们发现当BaO含量增加时，熔体黏度呈现单调下降趋势。这与高碱度熔体中常见的"先升后降"现象形成鲜明对比，暗示在酸性环境中O^2?的解聚作用始终占据主导地位。

关键技术包括：(1)基于实际高炉渣成分设计实验熔体体系；(2)采用旋转柱体法测定1400-1500℃高温黏度；(3)运用MD模拟解析Ba²⁺配位环境及氧物种分布；(4)通过拉曼光谱定量Qⁿ结构单元演变。研究样本来源于埃及钢铁公司高炉渣的化学成分基准。

【The viscosity changes of high-BaO melt】
黏度测试显示，1500℃时20wt% BaO使熔体黏度从0.45 Pa·s降至0.28 Pa·s。温度升高通过破坏Si-O-Al键网络加速结构解聚，而BaO的加入则通过两种途径强化该过程：一是提供游离O^2?直接断裂Si-O-Si桥键；二是过量Ba²⁺在完成[AlO₄]电荷补偿后，剩余离子作为网络修饰子破坏[SiO₄]连接。

【MD simulation of structure evolution】
MD模拟揭示熔体中氧物种呈现"两极分化"：桥氧(O⁰)占比58.7%-42.3%，非桥氧(O^?)从36.1%增至52.8%，而自由氧(O^2?)和三簇氧(O^t)不足5%。Al³⁺呈现动态配位：除[AlO₄]外，[AlO₅]和[AlO₆]占比达17.5%，证明Ba²⁺不能完全稳定四配位结构。

【Raman spectroscopy analysis】
拉曼光谱在850-1200 cm^-1区间检测到Q²(Si)和Q³(Si)峰强度降低，而Q⁰(Si)增强，证实BaO促使大分子硅氧网络解离为小单元。值得注意的是，[AlO₄]特征峰(550 cm^-1)的蓝移现象暗示Ba²⁺的电荷补偿效果随浓度增加而减弱。

这项研究建立了BaO含量-结构解聚-黏度降低的定量关系模型，阐明了酸性熔体中BaO的"剂量-效应"阈值。其重要意义在于：(1)为玻璃陶瓷配方设计提供BaO添加量的理论依据；(2)指导含钡矿石冶炼时的渣系优化；(3)首次证实低碱度熔体中Ba²⁺的电荷补偿存在饱和效应。该成果对实现熔体性能的精准调控具有重要工业价值。