Fe、Al纳米粒子熔化过程结构转变的分子动力学研究

采用分子动力学方法结合嵌入原子势函数,应用势能、共近邻技术分析方法,研究了原子数为147、309和561的正二十面体(ICO),正十面体(Dh)和立方八面体(CO)的Fe、Al纳米粒子的熔化行为.结果表明,原子数为147、309、561的ICO结构的Fe、Al纳米粒子在熔化前保持原有结构;Dh与CO结构的Al纳米粒子在熔化前向ICO结构转变,ICO结构比Dh结构和CO结构更稳定.     

HCl气体高分辨红外发射光谱的研究

利用超高分辨傅里叶变换红外光谱仪对HCl气体的红外发射光谱进行了测量,并与基于第一性原理的分子动力学方法计算出的分子振动谱的结果进行了对比分析.结果表明,分子动力学计算得到的振动谱和实验得到的红外谱线的包络符合得很好,特别是对HCl振动谱带边缘各峰值位置的计算结果与实验符合较好.但对谱带中部各峰值位置的计算结果与实验有一定偏差.另外,对于HCl振动谱带的两个分支内各自最大强度所处位置的计算结果偏小;对各分支积分能量的计算结果与实验数据不符,其中右侧分支(较大波数分支)积分能量的计算结果偏大.因此,分子动力学算法应用于气体红外光谱的计算时虽然能与实验基本符合,但是和精细谱比对还有待进一步改进.     

基于分子动力学模拟的天然橡胶黏弹性材料力学行为

以天然橡胶为例,采用分子动力学模拟方法,研究了单轴拉伸条件下材料分子链聚合度参数p、环境温度T和加载率R对黏弹性材料力学性能的影响.结果 表明,材料应力随分子链聚合度和加载率的增加而增加,随温度的升高而降低,低温高频下材料呈现出塑性特点.在R=108 s-1,T=250 K的条件下,p=20,40时,材料应力峰值分别为79.8和99.8 MPa;当p=40,R=1010 s-1时,T=100,250 K条件下,应力幅值分别为134.9和103.9 MPa;在p=40,T=250 K情况下,R=109,1010 s-1时,应力峰值分别为122.7和134.9MPa.在加载过程中,非键结势能对系统总势能的变化起主导作用,分子动力学模拟方法可以较好地分析分子链聚合度、环境温度和加载率等参数对黏弹性材料应力、系统能量和自由体积变化的影响.     

模拟研究和设计高强度低生热聚合物复合材料

利用分子动力学模拟方法研究聚合物复合材料中填料分布、聚合物链性质和体系微观结构对力学强度和动态滞后生热性能的影响.研究结果表明,提高填料分散程度和减少聚合物链末端数量都能有效降低聚合物复合材料的动态滞后生热,聚合物复合材料的力学强度和动态滞后生热随分子链刚性的增加而增加.但是,刚柔嵌段共聚体系的力学强度,在高拉伸状态下,甚至会优于全刚性聚合物体系.在前述研究基础上,笔者设计了一款以填料颗粒为交联点、刚/柔环状链段互穿的三维网络结构复合体系.研究结果表明,新型复合材料与传统聚合物相比,力学性能最高提升640％,生热性能降低40％.模拟研究结果期望能为分析聚合物复合材料的生热机制、设计兼具高力学强度和低生热性能的聚合物复合材料提供理论指导和新的思路.     

纯铁液凝固过程的分子动力学模拟

为了研究纯铁熔液体系在凝固过程中的演变行为,采用分子动力学方法和带有范德瓦尔斯项的长程F-S势函数对液态Fe凝固过程的结构和能量演变进行模拟。径向分布函数、原子均方位移函数和Fe原子的聚集状态变化图像显示,凝固过程是Fe原子由无序向短程有序再向长程有序的变化过程,其中的短程有序结构可能是Fe原子组成的团簇结构;凝固过程中体系的总能量变化呈逐渐降低,Fe单质完美晶体的凝固温度约为2400 K。     

Cr在Fe-Cr合金中扩散过程的原子尺度模拟研究

该文通过计算机模拟方法研究Cr在Fe-Cr合金中的扩散。用2BM(two band model)势函数模型计算了Fe的空位形成能以及Fe-Cr合金中Cr与空位V之间的结合能、空位迁移能。按照固体中杂质扩散的五频率模型,结合纯铁的分子动力学模拟,计算了合金中Cr原子的扩散系数。此外,在不同的温度和空位浓度条件下,对Fe-1%Cr合金直接进行了分子动力学模拟计算,获得了合金中Cr原子的扩散系数,结果与五频率模型计算结果较为一致。     

醇胺药剂与石英界面作用的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟研究了醇胺浮选药剂十二胺、十二醇及其混合物与石英的界面作用,得到吸附稳定后的团簇形貌及水分子排布,发现十二胺可在石英表面形成稳定的柱状半胶束,而十二醇则不与石英表面发生作用,悬浮在水相之中。对混合药剂而言,十二醇可以通过疏水性碳链间作用黏聚在十二胺半胶束上方,但不改变胶束化过程,该现象可调节矿物表面的zeta电位,提高浮选效率。研究发现两种药剂均不能吸附在表面羟基化的石英上,故在低pH条件下,它们均不能有效浮选石英。     

脉冲激光烧蚀氩晶体颗粒的分子动力学模拟

采用分子动力学方法对氩晶体颗粒在皮秒脉冲激光照射下内部发生的传热过程以及相变现象进行模拟研究.通过记录氩原子速度和原子位置随时间的变化情况分析了颗粒内热量的传递过程,并计算了单位体积内氩原子数目的空间分布情况以及随时间的变化规律,从而分析了颗粒内部的相变过程.研究结果表明:当激光强度较低时,晶体内部仅仅发生传热过程而没有熔化发生,加入的激光能量随时间由外向内传递;当激光强度增加到足够晶体熔化的时候会发生相变,此时固液相态之间并没有明显的界面,而是存在一个纳米级别的过渡区域;当照射的激光强度增加时,过渡区域的移动速度和移动深度都将增加.     

电场抑制纳米液滴的Leidenfrost现象

Leidenfrost现象是指液滴与过热表面接触时,快速汽化的蒸汽层将液滴与表面隔离,使液滴在表面悬浮的现象.为揭示表面润湿性对纳米液滴Leidenfrost现象的影响机制并实现纳米液滴的强化换热,本文采用分子动力学模拟研究了纳米液滴在不同润湿性表面上的Leidenfrost现象.结果表明,纳米液滴的Leidenfrost温度与表面润湿性密切相关,即表面越亲水, Leidenfrost温度越高.本文进一步研究了电场作用下纳米液滴在不同润湿性表面上的相变换热过程,发现施加电场可有效抑制Leidenfrost现象,电场增加液滴与表面的相互作用力是其抑制Leidenfrost现象的机理.