温度对高岭石结构及力学性能的影响：实验与反应分子动力学模拟研究

为探究黏土矿物脱羟基化温度需求及石灰石煅烧黏土水泥(LC3)中煅烧黏土特性，研究人员通过热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)结合反应分子动力学(RMD)模拟，揭示了高岭石在298-873 K热处理过程中的结构转变机制与力学响应规律。研究发现高岭石在378 K脱除自由水，673-873 K完成脱羟基化，RMD模拟证实煅烧产物偏高岭石具有更强的抗变形能力，为LC3材料的节能制备与性能优化提供理论依据。

　　

黏土矿物作为水泥工业实现碳中和的关键材料，其煅烧过程中的结构演变与性能调控一直是材料科学领域的难点。传统石灰石煅烧黏土水泥(LC³)虽能减少40%水泥用量，但煅烧温度过高会导致能耗激增，而温度不足又会影响黏土活性。针对这一矛盾，广东某研究团队在《Applied Clay Science》发表论文，通过多尺度实验与模拟揭示了高岭石的热转变机制。

研究采用STA 449 F3同步热分析仪进行热重-红外联用(TG-FTIR)，结合X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征样品微观结构变化。反应分子动力学(RMD)模拟采用ReaxFF力场，在298-873 K温度区间分析层间距、氢键网络和弹性常数(C_ij)演变。

相变特征分析
TG曲线显示高岭石在378 K出现4.2%质量损失对应自由水脱除，673 K起始的11.3%损失源于脱羟基反应。XRD图谱中2θ=12°的(001)峰在873 K消失，证实完全转变为非晶态偏高岭石。SEM显示773 K样品出现熔融态特征，而873 K试样呈现多孔结构。

分子机制解析
RMD模拟发现378-473 K区间出现Al-OH键断裂，形成Si-OH使FT-IR在3695 cm^-1处峰宽增加。层间距从7.2 ?增至8.5 ?导致内聚功降低47%，氢键数量由12.6个/nm²锐减至3.2个/nm²。弹性常数计算显示偏高岭石体积模量(K)提升21%，泊松比(ν)降低至0.23。

该研究首次通过实验与模拟关联揭示了高岭石脱羟基化的温度阈值与结构演变规律，证实873 K煅烧可获得最佳力学性能的偏高岭石。这不仅为LC³材料制备工艺优化提供精确温度窗口，其建立的RMD模拟方法还可推广至其他层状硅酸盐研究。值得注意的是，发现的Si-OH基团动态形成机制为解释黏土矿物活性起源提供了新视角，而层间氢键网络量化分析方法对理解纳米复合材料界面行为具有普适意义。