【摘 要】
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二氧化钛（TiO2）纳米颗粒由于其独特的物理化学性能,具有广泛的应用领域。TiO2材料性能主要受到晶粒尺寸、微观结构和致密度等影响,而这又受到TiO2粉末制备和致密化工艺等影响。烧结是常用的粉末成型技术,烧结工艺参数（如烧结温度和保温时间等）,以及颗粒属性（如颗粒尺寸和晶相等）将极大地影响致密化过程,并最终影响材料性能。分子动力学（Molecular Dynamics,MD）模拟可用于研究纳米颗粒
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二氧化钛（TiO2）纳米颗粒由于其独特的物理化学性能,具有广泛的应用领域。TiO2材料性能主要受到晶粒尺寸、微观结构和致密度等影响,而这又受到TiO2粉末制备和致密化工艺等影响。烧结是常用的粉末成型技术,烧结工艺参数（如烧结温度和保温时间等）,以及颗粒属性（如颗粒尺寸和晶相等）将极大地影响致密化过程,并最终影响材料性能。分子动力学（Molecular Dynamics,MD）模拟可用于研究纳米颗粒烧结致密化过程,对实验具有一定的指导意义。本文围绕TiO2纳米颗粒,用MD探究粉末致密化过程中颗粒性质和工艺参数的影响,并分析了微观结构对力学性能的影响,主要结论如下:（1）计算了金红石型TiO2低指数晶向族＜001＞、＜110＞和＜111＞的表面活跃区域厚度分别约为5.96?、6.44?和9.05?,表明了金红石型表面活性的各向异性;探究了金红石型TiO2纳米颗粒熔点与尺寸的关系,研究发现随颗粒尺寸增大熔点逐渐升高,最终趋于定值,且直径小于1.8 nm时不能稳定保持晶体结构。（2）建立了金红石型单晶TiO2颗粒烧结的核-壳模型并研究颗粒烧结过程,分析其扩散机制,发现（1）对不同粒径颗粒,小颗粒会完全分解扩散进入大颗粒的表面层,大颗粒核心区域几乎不发生扩散;（2）对相同粒径,颗粒由表面扩散形成烧结颈,烧结颈生长到一定程度,内部会发生体积扩散,使颗粒结合致密;不同温度下烧结发现致密化过程温度主要影响烧结速率,对致密度影响很小;（3）相同粒径三颗粒烧结,颗粒通过表面扩散形成烧结颈,体系中心产生空洞,空洞由一个颗粒核心区域原子和新形成的烧结颈共同填充。（3）研究了不同条件下含金红石型和锐钛矿型TiO2颗粒混合烧结,（1）相同温度下,混合晶型可促进颗粒结合,且表面活性差异会促进表面活性差的锐钛矿型TiO2颗粒持续发生表面扩散;（2）不同温度下,体积扩散与表面扩散直接存在竞争,表面扩散主要作用在前期,体积扩散作用在烧结中后期,二者的速率不同且体积扩散主要发生在高温下,这解释了温度只影响了烧结速率而没有影响致密度;（3）不同粒径的混合烧结,体系收缩情况与两金红石型TiO2颗粒烧结相似,但每个原子占用平均体积更小,说明加入小颗粒可提高体系致密度。（4）研究了金红石型单晶和多晶体TiO2块体材料拉压过程,理想单晶金红石型TiO2块体材料拉压破坏起始都是由内部剪切转变区产生,而对圆柱状单晶金红石型TiO2块体模型拉伸破坏是由表面裂纹扩展导致。多晶块体中晶界会降低材料强度,但可以增加韧性。
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