Surface Tension Modelling of Molten Oxides based on Relaxation Mechanism of Surface Ionic Structure

溶融酸化物の表面張力は、高温材料プロセスの操業安定性や品質精度を左右する物性であるが、制御が非常に難しい。表面張力の値を大幅に変化させる表面イオン構造緩和の実態が未解明であり、表面構造の緩和が表面張力に及ぼす影響の定量化が未踏の課題である。本研究の目的は、表面に特化した構造解析によって、溶融酸化物の表面構造緩和の実態を解明するとともに、表面構造緩和の各要素が表面張力に及ぼす影響度を定量的に評価し、溶融酸化物の表面張力の予測式を新たに構築することである。本年度は、昨年度導入したガスジェット浮遊レーザ加熱装置を用いたガラス試料作製ならびに軟X線分光分析と、イオン間の分極を考慮したPolarizable Ion Modelによる分子動力学（MD）計算を行い、溶融酸化物の表面イオン配位構造を実験と計算の両面から解析する研究を行った。具体的には、Al2O3-CaO融体の表面イオン構造についてAl2O3/CaO組成比による変化に注目して、融体を急冷し、表面緩和のための熱処理を施したガラス試料に対し軟X線分光分析を行った。表面では内部に比べ、共有結合性の強い酸素4配位のAlイオン（AlO4）の存在率が高く、AlO4同士が連結し合うことで架橋酸素イオンが形成され易い傾向を確認した。Al2O3濃度が高いほど上記の傾向は顕著であった。同様の傾向は融体を対象とした表面を含む系に対するMD計算からも確認できた。したがって、Al2O3-CaO融体ではAl2O3濃度が高いほど、AlO4同士による架橋酸素イオンの形成が支配的な表面緩和形態となることを明らかにした。また、表面活性成分であるSiO2の添加がAl2O3-CaO融体の表面イオン構造に与える影響についても研究を行った。表面では内部よりも架橋酸素イオンが形成され易いが、具体的なイオン配位形態は微量のSiO2添加でも顕著に異なることが明らかになった。

溶融酸化物の表面張力は、高温材料プロセスの操業安定性や品質精度を左右する物性であるが、制御が非常に難しい。表面張力の値を大幅に変化させる表面イオン構造緩和の実態が未解明であり、表面構造の緩和が表面張力に及ぼす影響の定量化が未踏の課題である。本研究の目的は、表面に特化した構造解析によって、溶融酸化物の表面構造緩和の実態を解明するとともに、表面構造緩和の各要素が表面張力に及ぼす影響度を定量的に評価し、溶融酸化物の表面張力の予測式を新たに構築することである。本年度は、昨年度導入したガスジェット浮遊レーザ加熱装置を用いたガラス試料作製ならびに軟X線分光分析と、イオン間の分極を考慮したPolarizable Ion Modelによる分子動力学（MD）計算を行い、溶融酸化物の表面イオン配位構造を実験と計算の両面から解析する研究を行った。具体的には、Al2O3-CaO融体の表面イオン構造についてAl2O3/CaO組成比による変化に注目して、融体を急冷し、表面緩和のための熱処理を施したガラス試料に対し軟X線分光分析を行った。表面では内部に比べ、共有結合性の強い酸素4配位のAlイオン（AlO4）の存在率が高く、AlO4同士が連結し合うことで架橋酸素イオンが形成され易い傾向を確認した。Al2O3濃度が高いほど上記の傾向は顕著であった。同様の傾向は融体を対象とした表面を含む系に対するMD計算からも確認できた。したがって、Al2O3-CaO融体ではAl2O3濃度が高いほど、AlO4同士による架橋酸素イオンの形成が支配的な表面緩和形態となることを明らかにした。また、表面活性成分であるSiO2の添加がAl2O3-CaO融体の表面イオン構造に与える影響についても研究を行った。表面では内部よりも架橋酸素イオンが形成され易いが、具体的なイオン配位形態は微量のSiO2添加でも顕著に異なることが明らかになった。