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目前大多数研究者对于玻璃陶瓷这种复杂的多组分氧化物的研究主要集中在原料的选配和性能的改良上,但是玻璃陶瓷热处理过程中的析晶情况对其性能有至关重要的影响,因此对于其微观结构的认识,特别是其在熔融状态时的结构特征及其在以后析晶过程中的结构变化的研究非常重要。
本文采用分子动力学模拟的方法,以软件Materials Studio5.0为计算平台,研究了Na2O-CaO-SiO2(NAS)和CaO-Al2O3-SiO2(CAS)两种玻璃陶瓷体系不同组分下的熔体结构,两种体系的模拟步骤都是先高温熔化使体系粒子充分混合均匀,再按一定降温速率降温使体系逐步冷却凝固,这与实际过程中的实验操作是一致的,最后得到了这两种体系在高温熔融状态下的各种结构特征,对于指导具体实验工作具有重要的意义。
为了使模型构象最适合液态和熔体的模拟,体系建模时采用了多种粒子混合的方式,每个模拟体系大约包含1500个左右的原子,让各种原子随机分布在立方盒子中,并采用三维周期性边界条件。
模拟过程中应用Garofalini经验势函数来描述原子之间相互作用力,采用蛙跳算法对牛顿运动方程进行积分,时间步长设为1飞秒。模拟过程采用正则系综NVT和微正则系综NVE相结合的方式,并结合径向分布函数(radial distribution function,RDF)、均方位移(MSD)、系统总能量、键长和键角分布等分析量对各体系模拟结果进行了系统分析。
对于Na2O-CaO-SiO2(NAS)体系的研究,分别探讨了Na/Al比和不同含量Na+对体系结构的影响,我们发现:(1)当Na/Al=1/1时,体系中的桥氧含量达到最大,证明这时Na2O-Al2O3-SiO2体系的玻璃网络的聚集程度达到了最大;(2)低含量的Na+促进了体系中玻璃网络结构增加,原因是Na+促进了Al3+从网络修饰子变成网络形成子,而当Na+过剩时,其过剩部分则作为网络修饰阳离子起了很强的解聚网络的作用。此结果能够对NAS体系粘度的变化给出很好的理论解释。
对于CaO-Al2O3-SiO2(CAS)体系,则分别研究了不同Si粒子含量和不同体系密度对体系结构的影响,发现:(1)随着Si粒子含量的相对增加,体系中缺陷粒子的数目减少了,同时体系中各种粒子的活跃程度降低了;(2)体系密度的增大,导致了体系的畸变,使体系中出现的大量的缺陷粒子,同时也降低了体系中各种粒子的活跃程度,使体系更难达到均匀状态。
本文研究得到的键长、键角等结构信息跟实际相符,证明了模拟结果的正确性。同时得到的一些微观结构信息对实际中的实验现象给出了很好的解释,还有一些模拟结果可以指导具体的实验操作。