典型固液界面热力学与动力学性质的分子动力学研究

论文摘要

研究固液界面的性质对认识液体的润湿、晶体的生长与形核等都具有重要的意义。目前,采用计算模拟的方法对固液界面的性质进行研究已成为可能,而且大量有关固液界面性质的研究成果都来自于计算模拟。本文采用分子动力学方法,对典型体系固液界面的热力学与动力学性质进行分析与研究,主要研究内容可以概括为以下四个部分：一、对固体表面的纳米液滴进行分子动力学模拟,主要研究相互作用的细节对固液界面结构与润湿性质的影响。我们发现当相互作用较强,固液原子尺寸失配不是很大的情况下,固液界面附近的液体原子排列出现了长程有序结构。多体相互作用、固液相互作用的强度与距离,都会影响液滴在固体表面的润湿性质,并且随着固液相互作用强度的增大,液体原子与固体原子尺寸的失配对接触角的影响效果增强。二、对铁液滴在石墨烯表面和单壁碳纳米管中的润湿性质进行了模拟。模拟结果表明,对放在石墨烯表面的纳米铁液滴,接触角随液滴尺寸的增加而减小；但对包裹在碳管中的纳米铁液滴,接触角随管径的增加而减小；但接触角的大小与包裹液滴的长度无关。我们还根据修正后的杨氏方程估算了纳米铁液滴在石墨表面三相接触线的线张力的大小,得到了与理论研究相同的结果。通过对碳纳米管中的液体密度的分析,观察到液体的密度在垂直于管壁和平行于管壁的两个方向上都存在周期的波动,而且在碳管的轴向,密度波动的周期与碳管的周期一致。三、研究降温过程中,碳纳米管包裹的金属液滴的固化过程与固化结构。发现不同体系的降温过程中,能量随温度的变化规律不同,液体固化后的结构也不同。在碳纳米管管壁对内部液体影响较弱的体系中,随温度的降低,能量的变化规律与自由液体相似,且液体固化后形成晶体结构；反之,如果管壁对内部液体影响较强,能量随温度的变化关系复杂,降温过程中甚至观察到亚稳结构的出现,液体最终的固化结构通常为多层结构。四、采用自由固化方法,系统的研究了体系尺寸对固化过程中界面处温度梯度的影响。研究表明,体系在生长方向的长度对界面处温度梯度的影响很强。考虑到界面处温度梯度的存在,采用界面处的真实温度计算了金属铁与金属镁的动力学系数,并研究了铁和镁动力学系数的各向异性性质。采用界面处真实温度计算的结果约为采用热浴温度进行计算的两倍,但无论采用什么样的温度计算动力学系数,对相同的体系而言,其各向异性性质没有发生改变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 固液界面的结构
• 1.2 固液界面的热力学性质
• 1.2.1 固液界面自由能
• 1.2.2 三相平衡和表面润湿
• 1.3 固液界面的动力学性质
• 1.4 研究现状
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第二章 分子动力学方法
• 2.1 分子动力学基本概念
• 2.1.1 物理基础
• 2.1.2 分子动力学模拟的步骤
• 2.2 原子间相互作用势
• 2.2.1 原子间相互作用
• 2.2.2 原子作用势举例
• 2.2.2.1 Lennard-Jones势
• 2.2.2.2 EAM势
• 2.2.2.3 LJ-EAM势
• 2.2.2.4 键序势
• 2.3 模拟技巧
• 2.3.1 时间积分算法
• 2.3.1.1 Verlet算法
• 2.3.1.2 预估校正法
• 2.3.2 周期性边界条件
• 2.4 系综的模拟与宏观物理量的控制
• 2.4.1 系综的模拟
• 2.4.2 常见控温方法
• 2.4.2.1 速度标度方法
• 2.4.2.2 Berendsen恒温槽方法
• 2.4.2.3 Andersen恒温方法
• 2.4.2.4 Nose-Hoover热浴
• 2.4.3 常见控压方法
• 2.4.3.1 Berdendsen方法
• 2.4.3.2 Andersen方法
• 2.4.3.3 Parrinell-Rahman方法
• 2.4.3.4 有限体系加压方法
• 第三章 纳米液滴接触角的模拟
• 3.1 引言
• 3.2 模拟计算的方法
• 3.2.1 势函数的选取
• 3.2.2 分子模拟的方法与细节
• 3.3 计算结果与讨论
• 3.3.1 对润湿性质的影响
• 3.3.2 界面附近液体的结构
• 3.4 小结
• 第四章 铁液滴对石墨表面和碳管的润湿
• 4.1 引言
• 4.2 计算细节
• 4.2.1 势函数的选取
• 4.2.2 模拟体系的选取
• 4.2.3 分子模拟的实现
• 4.3 计算结果及讨论
• 4.3.1 液滴密度的计算与分析
• 4.3.1.1 液滴密度的计算
• 4.3.1.2 液滴的密度分布
• 4.3.2 液滴接触角的变化
• 4.3.3 线张力的计算
• 4.3.3.1 铁的气液表面张力
• 4.3.3.2 线张力的计算
• 4.4 小结
• 第五章 碳纳米管包裹金属液滴的固化
• 5.1 引言
• 5.2 分子模拟细节
• 5.3 计算结果的分析与讨论
• 5.3.1 固化结构
• 5.3.2 能量变化
• 5.4 小结
• 第六章 金属固液界面生长
• 6.1 引言
• 6.2 计算模拟的方法
• 6.2.1 分子模拟的细节
• 6.2.1.1 势函数的选取
• 6.2.2 序参量的计算
• 6.2.3 界面温度的计算
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 界面速度的计算
• 6.3.2 界面处温度的梯度
• 6.3.3 体系尺寸对模拟结果的影响
• 6.3.4 Mg和Fe的动力学系数
• 6.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 插图
• 表格
• 附录
• 致谢