多組分氧化物熔融體系的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、目前大多數(shù)研究者對于玻璃陶瓷這種復(fù)雜的多組分氧化物的研究主要集中在原料的選配和性能的改良上，但是玻璃陶瓷熱處理過程中的析晶情況對其性能有至關(guān)重要的影響，因此對于其微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，特別是其在熔融狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)特征及其在以后析晶過程中的結(jié)構(gòu)變化的研究非常重要。
　　 本文采用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，以軟件Materials Studio5.0為計(jì)算平臺(tái)，研究了Na2O-CaO-SiO2(NAS)和CaO-Al2O3-SiO2(CAS)兩

2、種玻璃陶瓷體系不同組分下的熔體結(jié)構(gòu)，兩種體系的模擬步驟都是先高溫熔化使體系粒子充分混合均勻，再按一定降溫速率降溫使體系逐步冷卻凝固，這與實(shí)際過程中的實(shí)驗(yàn)操作是一致的，最后得到了這兩種體系在高溫熔融狀態(tài)下的各種結(jié)構(gòu)特征，對于指導(dǎo)具體實(shí)驗(yàn)工作具有重要的意義。
　　 為了使模型構(gòu)象最適合液態(tài)和熔體的模擬，體系建模時(shí)采用了多種粒子混合的方式，每個(gè)模擬體系大約包含1500個(gè)左右的原子，讓各種原子隨機(jī)分布在立方盒子中，并采用三維周期性邊界條

3、件。
　　 模擬過程中應(yīng)用Garofalini經(jīng)驗(yàn)勢函數(shù)來描述原子之間相互作用力，采用蛙跳算法對牛頓運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分，時(shí)間步長設(shè)為1飛秒。模擬過程采用正則系綜NVT和微正則系綜NVE相結(jié)合的方式，并結(jié)合徑向分布函數(shù)(radial distribution function，RDF)、均方位移(MSD)、系統(tǒng)總能量、鍵長和鍵角分布等分析量對各體系模擬結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)分析。
　　 對于Na2O-CaO-SiO2(NAS)體系的

4、研究，分別探討了Na/Al比和不同含量Na+對體系結(jié)構(gòu)的影響，我們發(fā)現(xiàn)：(1)當(dāng)Na/Al=1/1時(shí)，體系中的橋氧含量達(dá)到最大，證明這時(shí)Na2O-Al2O3-SiO2體系的玻璃網(wǎng)絡(luò)的聚集程度達(dá)到了最大；(2)低含量的Na+促進(jìn)了體系中玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增加，原因是Na+促進(jìn)了Al3+從網(wǎng)絡(luò)修飾子變成網(wǎng)絡(luò)形成子，而當(dāng)Na+過剩時(shí)，其過剩部分則作為網(wǎng)絡(luò)修飾陽離子起了很強(qiáng)的解聚網(wǎng)絡(luò)的作用。此結(jié)果能夠?qū)AS體系粘度的變化給出很好的理論解釋。

5、　　 對于CaO-Al2O3-SiO2(CAS)體系，則分別研究了不同Si粒子含量和不同體系密度對體系結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)：(1)隨著Si粒子含量的相對增加，體系中缺陷粒子的數(shù)目減少了，同時(shí)體系中各種粒子的活躍程度降低了；(2)體系密度的增大，導(dǎo)致了體系的畸變，使體系中出現(xiàn)的大量的缺陷粒子，同時(shí)也降低了體系中各種粒子的活躍程度，使體系更難達(dá)到均勻狀態(tài)。
　　 本文研究得到的鍵長、鍵角等結(jié)構(gòu)信息跟實(shí)際相符，證明了模擬結(jié)果的正確性。同