碳納米管中冰-水相變的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、隨著能源危機(jī)的到來(lái),儲(chǔ)能材料和儲(chǔ)能技術(shù)得以迅速發(fā)展。而相變儲(chǔ)能材料是眾多儲(chǔ)能材料中應(yīng)用較為廣泛的一種,其具有儲(chǔ)能密度大、輸出的能量與溫度比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),因此,對(duì)相變儲(chǔ)能材料的研究成為當(dāng)今材料研究的焦點(diǎn)。而碳納米管中冰/水發(fā)生相變時(shí)能量具有突變,為其成為相變儲(chǔ)能材料提供了可能。為了較好地利用受限于碳納米管中的冰/水作為相變儲(chǔ)能材料,我們需要更多地了解其靜態(tài)結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及動(dòng)態(tài)性質(zhì)等。本文是利用分子動(dòng)力學(xué)方法,對(duì)(14,0)“zigzag”型碳

2、納米管中冰/水的相變進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果通過(guò)原子密度分布函數(shù)、氫鍵方向分布函數(shù)以及均方位移等來(lái)分析受限于碳納米管中冰/水相變前后的變化以及溫度和壓強(qiáng)因素對(duì)這些冰/水的影響。
　　 本文對(duì)相變及相變?cè)淼幕A(chǔ)理論做了論述,闡明了一些有關(guān)相變的定義、分類(lèi)和相變過(guò)程的機(jī)理。同時(shí),對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)行了較全面的說(shuō)明,如:力場(chǎng)的選取、長(zhǎng)程作用力的計(jì)算、計(jì)算系統(tǒng)模型的簡(jiǎn)化、常見(jiàn)的水分子力場(chǎng)、積分步長(zhǎng)的選取、周期性邊界條件等。本文的模擬過(guò)程

3、包括三個(gè)方面:一是溫度設(shè)定為240K的等溫增大壓強(qiáng)過(guò)程,壓強(qiáng)值從500MPa到1GPa過(guò)程,其間隔為25MPa,從1GPa到11GPa過(guò)程,間隔值為1GPa:二是壓強(qiáng)值設(shè)定為200MPa的等壓降溫過(guò)程,溫度從300K下降,開(kāi)始間隔值為10K,當(dāng)降低到260K后,間隔值變?yōu)?K;三是壓強(qiáng)值設(shè)定為500MPa的等壓降溫過(guò)程,溫度變化情況如同上述二。模擬結(jié)果表明:等溫(240K)增壓過(guò)程,575MPa時(shí)水分子由四環(huán)相變成五環(huán)結(jié)構(gòu),繼續(xù)增大到超

4、高壓(5GPa)時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)中心水分子鏈;等壓(500MPa)降溫過(guò)程中,當(dāng)降到255K時(shí)非晶水相變成晶體四分子水環(huán)結(jié)構(gòu),繼續(xù)降低溫度到220K時(shí)又相變?yōu)槲宸肿铀h(huán)結(jié)構(gòu)。通過(guò)水分子的徑向密度分布函數(shù)和偶極矩方向分布函數(shù)都說(shuō)明五分子水環(huán)結(jié)構(gòu)比四分子水環(huán)結(jié)構(gòu)更趨于有序。由水分子中原子的軸向密度分布函數(shù),可以考察水分子在軸向形成的層次數(shù)及大致計(jì)算管內(nèi)水分子個(gè)數(shù),并可以區(qū)分等溫增壓過(guò)程還是等壓降溫過(guò)程(500MPa)形成的類(lèi)似相變。碳納米管中水分