压力诱导的纳米氧化物（ZrO2，SiO2）相变及结构变化的分析：分子动力学模拟

论文摘要

纳米氧化物（Zr02和SiO2）是一类重要的纳米材料,由于具有很强的表面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子隧道效应等独特性质,而使其被广泛应用在功能陶瓷、化纤、环境工程、化妆品及涂料等领域。在高压下纳米Zr02和纳米Si02粒子会经历独特的压力诱导的结构转变过程,因此,对它们发生相变的结构和相变机理的研究将是非常有意义的。采用分子动力学（MD）模拟,利用DLPOLY程序,使用理想气体作为压力传导媒介的方法,分析了压力诱导纳米氧化物的相变及结构变化。研究了三种大小的纳米Zr02结构,压力由1 GPa加压至20 GPa,间隔1 GPa。结果显示,结构变化为渐变过程,对较小纳米颗粒（即原子数为324和768的纳米Zr02）主要有三种结构并存,即四配位、五配位、六配位结构并存,四面体向六面体结构的转变压力分别发生在9-10 GPa和8-11 GPa；而对原子数为1500的较大纳米Zr02颗粒主要有五种结构共存,即从四配位到八配位五种结构,并在加压过程中出现两次重大的结构转变,分别发生在7-8 GPa和14-16 GPa。采用相同的方法研究了两种大小的纳米Si02结构,压力从1 GPa开始,以2 GPa为间隔,最终加压至45 GPa。结果表明,体系结构变化同样为渐变过程,即四配位、五配位、六配位结构并存。原子数为1536和3000的纳米SiO2的主导结构由四面体向六面体结构转变的压力分别发生在31 GPa和25 GPa附近。此外,采用MD模拟还研究了聚环氧乙烷（PEO）在纳米Si02表面的修饰作用,基于对体系径向分布函数、均方位移、密度分布及二面角分布的分析,可以得知,表面的修饰改变了纳米粒子表面的结构和状态,随温度变化高分子链的运动性明显增加,PEO分子链形状也在不同温度下发生变化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料的研究概述
• 1.1.1 纳米材料的研究历史
• 1.1.2 纳米材料的特性
• 1.2 纳米材料的分析方法
• 1.3 分子动力学模拟方法简介
• 1.3.1 分子动力学模拟的基本原理
• 1.3.2 积分方法
• 1.3.2.1 Verlet算法
• 1.3.2.2 Leap-frog算法
• 1.3.2.3 Beeman算法
• 1.3.2.4 Euler算法
• 1.3.2.5 其他算法
• 1.3.3 势能函数的选取
• 1.3.4 长程静电势能计算——Ewald求和
• 1.3.5 截断距离
• 1.3.6 周期性边界条件
• 1.3.7 分子动力学计算的初始设定
• 1.3.8 平衡系统的控制方法
• 1.3.8.1 调温方法
• 1.3.8.2 调压方法
• 1.3.9 驰豫与步长
• 1.4 纳米材料的计算模拟研究状况
• 参考文献
• 2）相变及结构变化的分析'>第二章 压力诱导的纳米氧化锆（ZrO₂）相变及结构变化的分析
• 2的研究背景及现状'>2.1 纳米ZrO₂的研究背景及现状
• 2.2 本工作的研究内容
• 2.3 模拟细节
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 总相关函数
• 2.4.2 配位数
• x结构单元比例'>2.4.3 ZrO_x结构单元比例
• 2.4.4 键角分布
• 2.4.5 表面区域的分析
• 2.5 结论
• 参考文献
• 2）相变及结构变化的分析'>第三章 压力诱导的纳米氧化硅（SiO₂）相变及结构变化的分析
• 2的研究背景及现状'>3.1 纳米SiO₂的研究背景及现状
• 3.2 本工作的研究内容
• 3.3 模拟细节
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 总结构因子S（Q）
• 3.4.2 配位数
• x结构单元比例'>3.4.3 SiO_x结构单元比例
• 3.4.4 键角分布
• 3.5 结论
• 参考文献
• 2）表面的分子动力学模拟研究'>第四章 聚环氧乙烷（PEO）在纳米二氧化硅（SiO₂）表面的分子动力学模拟研究
• 4.1 研究背景及现状
• 4.2 本工作的研究内容
• 4.3 模拟细节
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 径向分布函数
• 4.4.2 均方位移
• 4.4.3 密度分布
• 4.4.4 二面角分布
• 4.5 结论
• 参考文献
• 第五章 结论
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附录