The Structure and Properties of Oxide Melts pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Waseda, Yoshio/ Toguri, James M. (EDT)

出品人:

页数:236

译者:

出版时间:

价格:762.80元

装帧:HRD

isbn号码:9789810233174

丛书系列:

图书标签:

Oxide melts
High-temperature chemistry
Materials science
Physical chemistry
Metallurgy
Ceramics
Thermodynamics
Phase diagrams
Molten salts
Structure-property relationships

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具体描述

熔融氧化物：结构、动力学与界面现象的深度探索内容提要本书深入剖析了处于高温液态的氧化物熔体的复杂世界，重点关注其微观结构、热力学性质、动力学行为以及熔体-周围环境的界面现象。通过整合结构化学、统计力学、实验测量和先进的计算模拟方法，本书旨在为材料科学家、冶金工程师和地球物理学家提供一个全面且深入的理解框架。我们探讨了从简单氧化物（如 $ ext{SiO}_2$, $ ext{CaO}$, $ ext{Al}_2 ext{O}_3$）到复杂多组分体系（如玻璃形成体系、冶金炉渣、岩浆）中阳离子与阴离子的空间排列、化学键合特征以及由此衍生的宏观性质。 --- 第一部分：氧化物熔体的基本热力学与结构模型第一章：氧化物熔体的热力学基础与相图解析本章首先回顾了高熵体系的热力学基本原理，特别强调了在高温高压下处理非理想溶液的必要性。详细阐述了针对氧化物熔体的偏离理想溶液行为的建模方法，包括亚拉斯模型（Regular Solution Model）、法拉第模型（Flory-Huggins Modification）以及针对离子液体的泊松-玻尔兹曼（Poisson-Boltzmann）近似。随后，对关键的氧化物系统（如 $ ext{CaO}- ext{SiO}_2$, $ ext{MgO}- ext{SiO}_2$, $ ext{Al}_2 ext{O}_3- ext{CaO}- ext{SiO}_2$）的相图进行了详尽的分析，解释了不同温度和组分下共存相的形成机制，以及相变过程中局部结构的变化。重点讨论了玻璃化转变温度 ($T_g$) 的意义及其对熔体结构弛豫的影响。第二章：微观结构表征与建模：从短程到中程有序理解氧化物熔体性能的关键在于其无定形结构。本章聚焦于确定和描述熔体中的短程有序（Short-Range Order, SRO）和中程有序（Medium-Range Order, MRO）。 SRO 分析：详细介绍了结构探针技术（如 $ ext{X}$ 射线吸收近边结构 $ ext{XANES}$ 和扩展 $ ext{X}$ 射线吸收精细结构 $ ext{EXAFS}$）在确定配位数、键长和配位几何结构中的应用。讨论了硅氧四面体 ($ ext{SiO}_4$)、八面体 ($ ext{MgO}_6$) 等基本结构单元的连接方式，以及氧桥（bridging oxygen, $ ext{O}^0$）和非桥氧（non-bridging oxygen, $ ext{O}^-$）的比例对熔体粘度和渗透性的影响。 MRO 描述：阐述了如何利用分子动力学模拟（$ ext{MD}$）和瞬态 $ ext{X}$ 射线衍射数据来识别中程有序结构，如结构排斥模型（Structural Configurational Model）和假晶格模型（Quasi-Crystalline Model）的适用性。重点分析了网络形成剂（如 $ ext{SiO}_2$）和网络改性剂（如 $ ext{CaO}$, $ ext{Na}_2 ext{O}$）对熔体拓扑结构的影响，特别是玻璃网络破碎（depolymerization）的过程。第二部分：动力学行为与传输性质第三章：熔体粘度：从结构到流变学的桥梁粘度是描述高温液态氧化物流动特性的核心参数。本章深入探讨了控制熔体粘度的微观机制。影响因素分析：详细研究了温度、压力、氧化还原态以及组分变化对粘度的影响。提出了粘度与结构参数（如网络形成剂的浓度、离子尺寸、电荷密度）之间的定量关系。动力学模型：对比分析了阿伦尼乌斯模型（Arrhenius Model）和弗雷德尔-瓦特模型（Vogel-Fulcher-Tammann, $ ext{VFT}$）在描述氧化物熔体粘度随温度变化方面的优缺点。通过扩散激活能的视角，将粘性流动解释为局部结构重排和空位扩散的过程。特别关注了高粘度熔体（如硅酸盐）的非理想动力学行为。第四章：扩散、离子迁移率与电化学特性熔体中的物质传输（扩散）和电荷传输（电导率）是理解冶金过程和材料加工的关键。扩散机制：讨论了熔体中阳离子和阴离子的扩散系数测量方法（如放射性同位素示踪法和 $ ext{NMR}$ 弛豫测量）。区分了扩散是受离子尺寸限制的“移动”过程，还是依赖于溶剂化壳层重构的“跳跃”过程。对 $ ext{Mg}^{2+}$, $ ext{Ca}^{2+}$, $ ext{Fe}^{2+/3+}$ 等不同价态离子的相对迁移率进行了比较分析。电导率与离子导电性：阐述了氧化物熔体作为纯粹的离子导体（如碱土氧化物熔体）和混合导体（如含铁或含硫的冶金炉渣）的特性。解释了电导率 ($sigma$) 与离子扩散系数 ($D$) 之间的 $ ext{Nernst-Einstein}$ 关系，并分析了当熔体结构变得高度去聚合化时，该关系偏离的现象。第三部分：界面现象与化学反应性第五章：固-液界面：润湿性、能垒与生长动力学在材料加工中，熔体与固体的界面行为至关重要。本章集中讨论了熔体润湿性（Wettability）和界面张力（Interfacial Tension）。界面张力：介绍了测量液-固界面张力（$gamma_{LS}$）的接触角法和吊滴法。分析了表面能的结构起源，解释了为什么某些组分倾向于在熔体表面富集（表面过量或缺乏）。讨论了表面张力随温度和组分变化的规律，以及其对润湿行为的直接影响。润湿与铺展：深入探讨了熔体对不同固相（如陶瓷氧化物、金属或碳化物）的润湿机制。区分了化学润湿（键合作用主导）和物理润湿（几何匹配主导）。讨论了界面能垒在决定熔体/固体反应速率和浸润速度中的作用。第六章：气-液界面：氧化还原平衡与挥发性熔体表面是气体交换和反应发生的场所，特别是对冶金和玻璃工业中的脱气和氧化还原过程。表面吸附与配位：研究了气体物种（如 $ ext{O}_2$, $ ext{H}_2 ext{O}$, $ ext{CO}_2$）在熔体表面的吸附和溶解机制。通过热力学分析，解释了组分在气-液界面上的偏摩尔量变化。氧化还原化学：详细分析了熔体中多价态金属离子（如 $ ext{Fe}^{2+}/ ext{Fe}^{3+}$, $ ext{Cr}^{2+}/ ext{Cr}^{3+}$）的氧化还原平衡对氧逸度 ($p ext{O}_2$) 的依赖关系。引入了熔体电子分数的概念，并将其与熔体的酸碱度（Basicity）联系起来，预测不同气氛下熔体中主要氧化态的分布。第四部分：高级建模与应用案例第七章：先进计算模拟在氧化物熔体研究中的应用本章概述了利用密度泛函理论 ($ ext{DFT}$)、蒙特卡洛模拟 ($ ext{MC}$) 和分子动力学 ($ ext{MD}$) 来揭示氧化物熔体微观性质的方法论。 $ ext{DFT}$ 与结构预测：说明了如何利用 $ ext{DFT}$ 计算短程结构、键能和振动模式，以验证实验结构模型。分子动力学模拟：重点介绍了构建可靠的间分子势函数（$ ext{Interatomic Potential}$）的重要性，包括经典力场（如 $ ext{Borkar-Macedo}$ 势）和量子力学/分子力学 ($ ext{QM/MM}$) 混合方法的应用，用于模拟结构弛豫、扩散路径和界面过程。第八章：特定氧化物体系的工程与科学应用实例本章将前述理论知识应用于关键的工业和地球科学领域。冶金炉渣的优化：以复杂冶金炉渣为例，讨论如何利用结构和粘度模型来设计具有最低熔点和最佳金属分离效率的渣系。关注炉渣对脱硫和脱磷反应的影响，以及其对耐火材料的腐蚀性。硅酸盐岩浆的演化：从地球科学角度，探讨了地幔和地壳岩浆在不同压力和挥发性组分条件下的结构变化和粘度调控机制，以及这些变化如何影响岩浆房的动力学和火山喷发模式。 --- 本书内容覆盖了从原子尺度结构到宏观传输性质的完整链条，为读者提供了一个坚实的理论基础，以应对高温氧化物材料领域中遇到的复杂挑战。