镁氧化物晶体取向与熔融铁相互作用机制及其在高温冶金中的原子尺度优化

本文通过第一性原理分子动力学（AIMD）模拟，揭示了MgO耐火材料与熔融铁界面的反应机制：MgO(001)晶面稳定性最佳，而MgO(111)因高表面能引发剧烈反应，伴随Fe/O界面富集；表面缺陷促进Fe扩散，熔铁中氧含量加剧界面反应，并可能形成MgxFe1-xO中间相。电荷分析表明界面Fe原子电子流失程度与反应活性正相关，为高温炼钢工艺中MgO耐火材料的原子级优化提供理论依据。

　　

Highlight

镁氧化物（MgO）与熔融铁的界面反应差异机制尚未完全阐明。通过计算MgO(001)、(110)和(111)晶面的表面能（图S5），发现MgO(111)表面能最高，反应活性最强，MgO(001)则最稳定。这表明表面能是决定界面反应强度的关键因素。

Interfacial Structure Evolution during AIMD

在1973 K的AIMD模拟中，Fe/MgO(001)界面模型的结构演变如图2(a-f)所示。5 ps模拟后，所有模型的总能量呈高斯分布（图S3），判定系数R2>0.95，证实系统已达平衡态。

Discussion

MgO(111)与熔融铁的界面相互作用最强，MgO(110)次之，MgO(001)最弱。表面缺陷会适度增强Fe原子扩散，而熔铁中的氧显著加剧界面反应，可能导致Mg_xFe_1-xO中间相生成。电荷密度差和Bader电荷分析显示，越靠近界面的Fe原子失去电子越多，这与AIMD模拟中观察到的界面反应活性一致。

Conclusions

本研究通过AIMD模拟得出以下结论：

1. 1.

   MgO(111)与熔融铁的界面反应最强，MgO(001)最弱；

2. 2.

   表面缺陷促进Fe扩散，熔铁中的氧加剧界面反应；

3. 3.

   界面处可能形成Mg_xFe_1-xO相；

4. 4.

   电荷转移现象直接关联界面反应活性。