固态硅调控硅渣多孔微晶玻璃气孔结构机制

For the inhomogeneous distribution of pore in Na2O-CaO-SiO2 porous glass-ceramics, this proposal plans to control porous structure of Na2O-CaO-SiO2 porous glass-ceramics from silicon slag by using silicon particles, investigate the influential law of silicon particles on both bubble nucleation and the process of pores stabilizing systematically. The control mechanism of pore distribution is explored on the basis of the study of silicon particles variation and and oxidizing of Na-Ca-Si-O melt. Controlling of bubble nucleation mode and its distribution by silicon particles is established on the study of relationship between silicon particle size and shape and the process of bubble nucleation in Na-Ca-Si-O melt. The formation dynamics of porous metastable glass was determined by the influence of silicon particles on crystallization processes of the porous glass , revealing influence mechanism of silicon particles on pore stabilizing.The application of silicon particles in the control of porous structure in NCS porous glass-ceramics will provide an effective method to regulation the porous structure for most of the glass-ceramics and the theoretical basis for phase composition of gas and solid in glass-ceramics.

针对Na2O-CaO-SiO2（NCS）多孔微晶玻璃气孔分布不均的问题，本项目提出采用冶硅废渣中内源硅颗粒（Si）作为调控Na-Ca-Si-O熔体中气孔分布的方法，系统解析Na-Ca-Si-O熔体中固态硅颗粒的存在形态（数量、比表面积）对气泡成核及气孔稳定的影响规律。通过研究硅颗粒在熔体中存在形态变化规律，掌握调控体系氧化性对硅颗粒存在形态的影响机制；通过熔体发泡过程研究，关联硅颗粒不同存在形态与Na-Ca-Si-O熔体气泡成核过程特征，揭示固态硅颗粒调控气泡成核及其分布的作用机理；通过硅颗粒存在形态对NCS玻璃（含固态硅）的成核与晶体生长过程影响的研究，得到多孔基础玻璃（介稳态中间体）稳定存在的动力学规律。在此基础上，建立气孔结构（气孔分布、平均孔径、孔隙率等）与体系氧化性的关系，形成固态硅调控硅渣多孔微晶玻璃气孔结构机制。为多孔微晶材料气-固相组成及其结构设计提供理论基础和数据支撑。

针对Na2O-CaO-SiO2（NCS）多孔微晶玻璃气孔分布不均的问题，本项目提出采用冶硅废渣中内源硅颗粒（Si）作为调控Na-Ca-Si-O熔体中气孔分布的方法，主要研究固态Si颗粒对多孔微晶玻璃配合料热场分布、配合料向熔体转化过程、气泡成核、气泡长大四个过程的影响，明确固态Si颗粒调控多孔微晶玻璃孔结构机制。研究结果表明：多孔微晶玻璃基础配合料中加入适量固态Si颗粒可以使得多孔微晶玻璃配合料热扩散速率增加32.5%，提高升温过程中热场分布均匀性，使得升温过程中多孔微晶玻璃基础配合料热场分布由原本的“外热内冷”转变为整体均匀升温。在配合料向液相转化过程中，多孔微晶玻璃基础配合料内部液相首先在固态Si颗粒表面产生，液相产生速率随着固态Si颗粒粒径降低、添加量增加而增加，当加入0.5wt%的15μm固态Si颗粒时液相产生速率达到最大值，为未加入固态Si颗粒时的7-8倍。得到了含有固态Sii颗粒时多孔微晶玻璃内部气泡成核机制：气泡优先在固态Si颗粒附近的液相中成核，之后随着温度升高，没有固态Sii颗粒的位置产生新的液相，新液相中气体分子扩散至固态Si颗粒附近促进原始气泡长大，或者在新液相中均相成核。在气泡长大过程中，粒度小于40μm的固态Si颗粒可以存在于相邻气泡壁间阻碍气泡壁间液体的排出，起到调控多孔微晶玻璃气泡长大、聚并的作用；在配合料内部液相产生速率达到最大值之前，固态Si颗粒只具有促进液相产生、气泡成核的作用，无法调控气泡长大、聚并过程，随着固态Si颗粒添加量的增加，液相产生速率达到最大值，之后继续添加固态Si颗粒，实现对于气泡长大、聚并的调控。通过调控固态Si颗粒粒度、添加量即可以实现对多孔微晶玻璃基础配合料热场分布、液相产生过程的调控，改变新旧液相产生时间、新液相宽度，实现对于多孔微晶玻璃内部气泡成核过程调控，实现了对多孔微晶玻璃孔结构，尤其是孔径分布的有效调控，得到最可几孔径占比30.0-90.0%，孔隙率40.0-80.0%，平均孔径0.1-3.0mm的多孔微晶玻璃。为多孔微晶材料气-固相组成及其结构设计提供理论基础和数据支撑。