離子間相互作用勢(shì)的研究及其在固體電解質(zhì)GDC中的應(yīng)用.pdf

1、隨著能源危機(jī)的加劇，固體氧化物燃料電池成為新能源領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。作為固體氧化物燃料電池的重要組成部分，固體電解質(zhì)的性能優(yōu)劣很大程度上決定了燃料電池的使用壽命和應(yīng)用推廣。在原子級(jí)別對(duì)材料特性進(jìn)行模擬的分子動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)于分析固體電解質(zhì)的力學(xué)特性具有重要意義。本學(xué)位論文提出了求取離子晶體勢(shì)函數(shù)的方法，并以固體電解質(zhì)為研究背景，通過(guò)對(duì)分子動(dòng)力學(xué)方法的改進(jìn)，模擬了非化學(xué)計(jì)量氧化釓摻雜氧化鈰（GDC）的主要特性，并結(jié)合耦合理論，給出了多種可

2、變參數(shù)影響下材料的缺陷分布和性能演化。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，改進(jìn)了分子動(dòng)力學(xué)相關(guān)算法，開(kāi)發(fā)了完整的模擬軟件。簡(jiǎn)述了分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本思想及主要算法。為了更好地和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，本文選擇可變形的NPT系綜。根據(jù)原子的作用范圍，提出了平行六面體鄰位算法，使得計(jì)算效率和原子個(gè)數(shù)成正比。該算法可應(yīng)用于NV及NP系綜下的分子動(dòng)力學(xué)模擬。針對(duì)具體的函數(shù)形式，提出了離散-插值的快速方法，有效地提高了計(jì)算效率。利用Hamiltoni

3、an對(duì)應(yīng)變的導(dǎo)數(shù)，精確給出應(yīng)力-應(yīng)變漲落方程，結(jié)合彈性浴方法后，使得在NPT系綜下快速計(jì)算彈性模量成為可能。
　　其次，為了更好地描述離子間的相互作用，研究了離子晶體第一性原理對(duì)勢(shì)函數(shù)的求取方法。通過(guò)晶格反演法得到異種離子的短程對(duì)勢(shì)，同種離子的短程對(duì)勢(shì)則由量子化學(xué)法直接求得。結(jié)合上述方法，給出了離子晶體勢(shì)函數(shù)求取的詳細(xì)過(guò)程，并應(yīng)用于固體電解質(zhì)材料GDC?；隗w系的虛擬晶格結(jié)構(gòu)，通過(guò)第一性原理軟件計(jì)算了贗勢(shì)總能量，利用兩種第一性原理

4、方法得到了GDC的勢(shì)函數(shù)，并進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試以證明勢(shì)函數(shù)的正確性和可移植性，包括：GDC的靜態(tài)性能、結(jié)構(gòu)、對(duì)關(guān)聯(lián)函數(shù)和均方位移，CeO2的高壓性能、穩(wěn)定性能和高溫性能，非化學(xué)計(jì)量GDC的混合膨脹系數(shù)和彈性常數(shù)。
　　隨后為了提高材料的力學(xué)性能，根據(jù)彈性模量表達(dá)式，給出了經(jīng)驗(yàn)三體勢(shì)的擬合方案。結(jié)合第一性原理對(duì)勢(shì)和經(jīng)驗(yàn)三體勢(shì)構(gòu)成半經(jīng)驗(yàn)離子晶體勢(shì)函數(shù)。以典型的二價(jià)氧化物材料——CaO和MgO為例，計(jì)算了材料的晶格常數(shù)、體積模量、晶格能和彈性

5、常數(shù)等靜態(tài)性能。對(duì)CaO的多晶相預(yù)測(cè)，證明了本文勢(shì)函數(shù)的通用性。為了測(cè)試三體勢(shì)函數(shù)的性能，計(jì)算了材料的高壓相變。高溫和高壓環(huán)境下的測(cè)試計(jì)算表明本文勢(shì)函數(shù)具有較高的可靠性。繼而以固體電解質(zhì)為研究背景，根據(jù)CeO2的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，指明三體勢(shì)中的距離函數(shù)、角度函數(shù)和離子環(huán)境的關(guān)系，擬合出CeO2的三體勢(shì)函數(shù)，并進(jìn)行一定的測(cè)試，結(jié)果表明三體勢(shì)可以更好地描述材料的力學(xué)性能。
　　最后，根據(jù)Swaminathan耦合理論，推導(dǎo)了缺陷對(duì)彈性模量的影