多組分氧化物熔融體系的分子動力學模擬.pdf

1、目前大多數(shù)研究者對于玻璃陶瓷這種復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重要的影響，因此對于其微觀結構的認識，特別是其在熔融狀態(tài)時的結構特征及其在以后析晶過程中的結構變化的研究非常重要。
　　 本文采用分子動力學模擬的方法，以軟件Materials Studio5.0為計算平臺，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構，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，這與實際過程中的實驗操作是一致的，最后得到了這兩種體系在高溫熔融狀態(tài)下的各種結構特征，對于指導具體實驗工作具有重要的意義。
　　 為了使模型構象最適合液態(tài)和熔體的模擬，體系建模時采用了多種粒子混合的方式，每個模擬體系大約包含1500個左右的原子，讓各種原子隨機分布在立方盒子中，并采用三維周期性邊界條

3、件。
　　 模擬過程中應用Garofalini經(jīng)驗勢函數(shù)來描述原子之間相互作用力，采用蛙跳算法對牛頓運動方程進行積分，時間步長設為1飛秒。模擬過程采用正則系綜NVT和微正則系綜NVE相結合的方式，并結合徑向分布函數(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果進行了系統(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+對體系結構的影響，我們發(fā)現(xiàn)：(1)當Na/Al=1/1時，體系中的橋氧含量達到最大，證明這時Na2O-Al2O3-SiO2體系的玻璃網(wǎng)絡的聚集程度達到了最大；(2)低含量的Na+促進了體系中玻璃網(wǎng)絡結構增加，原因是Na+促進了Al3+從網(wǎng)絡修飾子變成網(wǎng)絡形成子，而當Na+過剩時，其過剩部分則作為網(wǎng)絡修飾陽離子起了很強的解聚網(wǎng)絡的作用。此結果能夠對NAS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構的影響，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，同時體系中各種粒子的活躍程度降低了；(2)體系密度的增大，導致了體系的畸變，使體系中出現(xiàn)的大量的缺陷粒子，同時也降低了體系中各種粒子的活躍程度，使體系更難達到均勻狀態(tài)。
　　 本文研究得到的鍵長、鍵角等結構信息跟實際相符，證明了模擬結果的正確性。同