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压力诱导的纳米氧化物(ZrO_2,SiO_2)相变及结构变化的分析:分子动力学模拟

梁鹏  
【摘要】:纳米氧化物(Zr02和SiO2)是一类重要的纳米材料,由于具有很强的表面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子隧道效应等独特性质,而使其被广泛应用在功能陶瓷、化纤、环境工程、化妆品及涂料等领域。在高压下纳米Zr02和纳米Si02粒子会经历独特的压力诱导的结构转变过程,因此,对它们发生相变的结构和相变机理的研究将是非常有意义的。 采用分子动力学(MD)模拟,利用DL_POLY程序,使用理想气体作为压力传导媒介的方法,分析了压力诱导纳米氧化物的相变及结构变化。研究了三种大小的纳米Zr02结构,压力由1 GPa加压至20 GPa,间隔1 GPa。结果显示,结构变化为渐变过程,对较小纳米颗粒(即原子数为324和768的纳米Zr02)主要有三种结构并存,即四配位、五配位、六配位结构并存,四面体向六面体结构的转变压力分别发生在9-10 GPa和8-11 GPa;而对原子数为1500的较大纳米Zr02颗粒主要有五种结构共存,即从四配位到八配位五种结构,并在加压过程中出现两次重大的结构转变,分别发生在7-8 GPa和14-16 GPa。 采用相同的方法研究了两种大小的纳米Si02结构,压力从1 GPa开始,以2 GPa为间隔,最终加压至45 GPa。结果表明,体系结构变化同样为渐变过程,即四配位、五配位、六配位结构并存。原子数为1536和3000的纳米SiO2的主导结构由四面体向六面体结构转变的压力分别发生在31 GPa和25 GPa附近。 此外,采用MD模拟还研究了聚环氧乙烷(PEO)在纳米Si02表面的修饰作用,基于对体系径向分布函数、均方位移、密度分布及二面角分布的分析,可以得知,表面的修饰改变了纳米粒子表面的结构和状态,随温度变化高分子链的运动性明显增加,PEO分子链形状也在不同温度下发生变化。


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