CaO-Al2O3-SiO2-TiO2微晶玻璃體系微觀結(jié)構(gòu)的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、微晶玻璃是一種新型無(wú)機(jī)材料，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、電學(xué)性能，在軍工、電子、儀器儀表、光學(xué)、建筑等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。CaO-Al2O3-SiO2-TiO2（CAST）體系微晶玻璃是非常有前途的綠色建材，已成為當(dāng)前新型建材的研究熱點(diǎn)。但微晶玻璃的制備多數(shù)需要1500度以上的高溫，難于對(duì)微晶玻璃體系的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，影響了微晶玻璃微觀結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的深層次研究。因此，開(kāi)展對(duì)CAST微晶玻璃體系的計(jì)算機(jī)計(jì)算模擬研究

2、工作，對(duì)了解微晶玻璃的微觀結(jié)構(gòu)、促進(jìn)微晶玻璃研究和應(yīng)用的發(fā)展具有重要的意義。本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法，首次對(duì)CAST體系微晶玻璃的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分子動(dòng)力學(xué)模擬，獲得了CAST體系的微觀結(jié)構(gòu)，并對(duì)TiO2含量及SiO2含量變化對(duì)體系微觀結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究分析。
　　本文首先計(jì)算模擬了 TiO2對(duì) CAST體系微觀結(jié)構(gòu)的影響。由徑向分布函數(shù)曲線可知，Si-O和Al-O第一峰的位置在1.61?和1.75?，與文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)值基本一致。Ti-

3、O也存在第一尖銳峰，由此可知Ti-O的結(jié)合能力與Al-O的結(jié)合能力類(lèi)似。隨著TiO2含量的不斷增加，Ti的擴(kuò)散速度先降低，隨后再增加，出現(xiàn)這種結(jié)果的原因與硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中Ti的成網(wǎng)特性有關(guān)；體系中Si-O-Al含量先升高，隨后趨于穩(wěn)定，最后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。而Si-O-Si的含量先呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)，當(dāng)TiO2添加量超過(guò)5.5％時(shí)，Si-O-Si的含量開(kāi)始上升。Al-O-Al的含量是首先降低，然后不斷上升，當(dāng)TiO2添加量超過(guò)5.5%時(shí)，

4、Al-O-Al含量開(kāi)始迅速減少。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，隨著TiO2含量的增加，體系中四面體[SiO4]的成網(wǎng)率變化不大，均保持在99%以上；而[AlO4]的成網(wǎng)率隨著TiO2的增加呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，最大值達(dá)到91%；[TiO4]的成網(wǎng)率隨TiO2的增加呈現(xiàn)出一直上升的趨勢(shì)。
　　本文同時(shí)計(jì)算模擬了SiO2含量對(duì)CAST體系微觀結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，隨著SiO2含量的不斷增加，Ti的均方位移首先降低，然后增加；從體系中骨架橋氧的

5、變化規(guī)律可以看出，隨著SiO2的增加，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有2（Si-O-Al）→(Si-O-Si)+(Al-O-Al)的趨勢(shì)，但當(dāng)SiO2含量繼續(xù)增加到52.5%時(shí)上述關(guān)系又反向進(jìn)行。計(jì)算結(jié)果表明，SiO2含量的變化，對(duì)TiO2的結(jié)構(gòu)形式基本沒(méi)有影響，多數(shù)都以[TiO4]存在，說(shuō)明其晶核劑作用的TiO2能夠均勻穩(wěn)定的存在于高溫硅酸鹽熔體中，這是能夠?qū)崿F(xiàn)均勻析晶的必要條件；計(jì)算結(jié)果還表明O-Si-O鍵角的分布比O-Al-O的鍵角分布更加集中，說(shuō)明