分子动力学在耐火材料研究中的应用进展.pdf

第 卷 第 期 年 月辽宁科技学院学报 .文章编号:():./.分子动力学在耐火材料研究中的应用进展祁 欣刘德嵩罗旭东张 磊(.辽宁科技学院 冶金与材料工程学院辽宁 本溪.安徽海螺暹罗耐火材料有限公司安徽 芜湖)摘要:对分子动力学的基本原理进行了简介综述了国内外学者通过分子动力学方法研究耐火材料的进展 在耐火材料的界面结合机制研究中分子动力学可以计算界面结合能、界面键弛豫等物理量能够从理论角度更准确地理解界面性能和界面行为 在耐火材料的抗渣性研究中分子动力学可以分析高温熔渣中不同粒子对的键长、键角、配位关系以及熔渣体系中的氧离子种类和微结构单元种类的分布 在耐火材料的热学性能研究中分子动力学可以模拟超临界、深过冷等环境测量实验中无法获得的物理量进而从微观角度解释实验现象 分子动力学模拟具有计算速度快、模拟结果与实验结果误差小、研究成本低等优势为耐火材料的设计和开发提供了数据支撑和理论指导关键词:耐火材料分子动力学界面结合机制抗渣性热学性能中图分类号:.文献标识码:引言耐火材料是以铝矾土、硅石、菱镁矿、白云石等天然矿石、某些工业原料和人工合成莫来石、尖晶石、碳化硅等为原料经加工后制造的无机非金属材料是用作高温窑炉等热工设备的结构材料分子动力学研究耐火材料是对材料的性能和特点提供关键性的参考依据也是对理论计算和实验的有力补充 分子动力学对分子大小和形状、与其他分子的相互作用、压力下的行为及一种状态与另一种状态相比的相对频率进行定量预测对化学、物理、材料及其他领域都是至关重要的 分子动力学能够在原子或分子尺度上进行建模计算模拟结果与实验结果误差较小因此在耐火材料的界面结合机制、抗渣性、热学性能的研究方面获得了广泛应用 分子动力学分子动力学是基于牛顿力学模拟分子运动对系统中各原子运动状态的一种微观描述 原子运动遵循经典的运动规律其中最常见的形式是牛顿运动方程 对于由 个原子构成的体系第 个原子有:()收稿日期:基金项目:辽宁省教育厅基本科研项目面上项目“钢包渣线用方 镁 石 碳 化 硅 碳 耐 火 材 料 的 应 用 基 础 研究”()辽宁省教育厅基本科研项目面上项目“系 列 牙 爪 大 跑 道 接 触 疲 劳 分 析 与 预防”().作者简介:祁欣()女辽宁辽阳人博士讲师.研究方向:冶金新技术用耐火材料.通讯作者:罗旭东()男辽宁沈阳人博士教授.研究方向:冶金新技术用耐火材料.()其中:为受力矢量为原子质量为加速度为坐标矢量 为时间分子动力学是用一种统计物理的方法获取一系列状态集合的手段分开考虑电子和原子核的运动其哈密顿()量如下:()其中:为哈密顿量 为总动能 为总势能 ()()其中:()为原子的位置对时间的一阶导数即速度 ()()结合笛卡尔坐标可以获得系统的运动方程简称为哈密顿方程组 ()其中:为广义坐标矢量为广义动量矢量对原子动力学方程组的求解方法包括 算法、算法、蛙跳算法等 其中 算法形式简单且计算结果准确性能稳定普遍应用于众多分子动力学程序中分子动力学的基本原理为:建立一个原子系统根据量子力学计算体系的构型积分通过对原子动力学方程组进行求解得到原子空间的运动规律和轨迹根据物理原理得出该体系的热力学量和其他宏观量对材料的性能进行理论解释 分子动力学在耐火材料研究中的应用进 辽宁科技学院学报 第 卷展.分子动力学对复相耐火材料界面结合机制的研究复相耐火材料中异相之间存在界面界面的结合情况对耐火材料的整体性能有很大影响 复相耐火材料界面位于异相之间连接界面两侧的物相传递应力和温度等构成复相耐火材料整体复相界面结构如图 所示图 复相界面结构示意图复相耐火材料界面的分子动力学模拟主要通过 软件完成 采用 中的 模块能够建立各种晶体、无定形及高分子材料的三维结构模型该模块提供搭建材料结构模型所需要的所有工具并支持其他模块进行后续处理 通过 中的 模块对各界面进行结构优化、分子动力学模拟热处理和冷却过程分析界面演变过程并计算界面的结合能等参数建立复相耐火材料异相界面的结合模型 模块是 中经典的分子力学工具可以对单分子和周期性体系的几何优化、动力学模拟和能量计算包含、等力场徐等人利用分子动力学方法研究 与 的界面结合情况构建两者之间不同位向的界面模型得到结合强度最高的界面 等人借助分子动力学方法研究 和石墨之间界面随温度变化的情况分析界面键的键型、键弛豫及界面结合能等参数 图 为 ()/石墨()界面分子动力学模拟前后的截面图 王等人通过分子动力学方法研究界面层对复相耐火材料力学性能的影响动力学模拟后界面发生弛豫界面两侧原子向界面中间移动界面结合强度增加材料的力学性能也得到提高 李等人对 和 界面的结合能和电子结构进行计算和分析发现()/()界面最稳定这是因为单层 原子的界面成键效果最好界面处原子成键时的共价性增强分子动力学方法在复相耐火材料界面构型、界面能计算等方面取得了较好的研究成果 近年来以分子动力学方法为代表的原子尺度模拟在国内外受到广泛关注能够从理论角度更准确地理解界面性能和界面行为可以为复相耐火材料设计提供指导和参考将在更深层次上理解和发展复相耐火材料的重要作用图 ()/石墨()界面 分子动力学模拟前后的截面图.分子动力学对耐火材料抗渣性的研究熔渣是由多种氧化物组成的熔体具有保温、去杂、回收金属氧化物等重要作用 熔渣及耐火材料在整个冶炼过程中是相互作用的各种精炼工艺开发以来精炼渣的研究与开发进展迅速通过调整渣的成分可以控制钢的质量 抗渣性是耐火材料的一个重要性能渣可以与耐火材料发生反应从而改变其组成和结构降低耐火材料的使用寿命耐火材料熔解到渣中也会改变渣的组成影响渣对钢水的冶炼作用 采用分子动力学模拟可以弥补实验研究对温度、研究区域等限制问题熔渣分子动力学模拟过程如图 所示包括构建初始模型、平衡态计算、信息收集、信息分析等图 熔渣分子动力学模拟过程 等人研究碱度对熔渣中离子的扩散率及黏度的影响黏度的下降会加重熔渣对耐火材料的侵蚀和渗透不利于耐火材料的抗渣性 硅酸盐熔渣包括 、等复杂网络结构如图 所示 周等人通过径向分布函数、均方位移等分析熔渣成分与结构的关系图 为灰渣和氧化铝分子动力学模拟前后示意图 结构表明灰渣 体系内各粒子的扩散系数相比于灰渣体系增大其中 的扩散系数最大对 的渗透能力最强分子动力学模拟作为一个有效的热力学、结构以及传输性质的计算工具可以从微观的角度直接分析高温熔渣中不同粒子对的键长、键角、配位关第 卷 第 期 年 月辽宁科技学院学报 .系以及熔渣体系中的氧离子种类和微结构单元种类的分布还能得到物理模拟实验所不能实现的粒子轨迹图形信息这些优点使得分子动力学模拟在熔渣的研究中具有显著优势图 熔渣的结构示意图:()熔体()微结构单元图 灰渣和氧化铝分子动力学模拟前后示意图.分子动力学对耐火材料热学性能的研究分子动力学模拟方法与实验方法相比可以精确控制模拟条件从微观角度解释实验现象通过模拟预测材料的服役行为降低了实验周期和经济成本分子动力学可以用于耐火材料热学性能的计算和分析倪等人对钛酸钙和镁铝尖晶石的热导率进行模拟研究得出材料的导热性能随温度及试样长度变化规律为实际生产中控制传热提供基础数据图 为钛酸钙热导率计算模型示意图图 为温度对钛酸钙热导率影响 等人对钛酸锶的热膨胀率等热学性能进行了分子动力学研究并修正了热导率的有限尺寸效应模拟结果接近实验数据 分子动力学对于实验中难以获得的超临界、深图 钛酸钙热导率计算模型示意图图 温度对钛酸钙热导率影响过冷等环境都可以实现 还可以测量实验中无法获得的物理量 进而从微观角度解释实验现象 以上可以看出分子动力学在研究耐火材料微纳尺度热学性能方面取得了很好的效果 结语分子动力学模拟具有计算速度快、模拟与实验结果误差小、研究成本低等优势在耐火材料的界面结合机制、抗渣性、热学性能等的研究具有可行性为耐火材料的设计和开发提供了数据支撑 为使分子动力学可以更好地用于耐火材料的研究提出几点建议:()在耐火材料的界面研究中模拟得到的界面结合情况需要通过 等实验手段补充验证保证后续模拟结果的可靠性()在耐火材料的抗渣性研究中需要区分不同成网粒子种类带来的影响 即使都是四面体结构由于键长和键强的不同同样结构类型的 四面体和 四面体对宏观性能的影响是有区别的()在耐火材料的热学性能研究中需要明确热学性能的主要影响因素明确不同计算函数的边界值提高模拟结果与实验结果的一致性 随着模拟计算科学的逐渐发展及分子动力学在耐火材料研究中的应用能够从理论角度更准确地理解耐火材料的性能和作用行为对开发新型高性能耐火材料具有指导意义参考文献:许森.载能粒子辐照下金属材料微观结构变化的分子动力学模拟研究.长春:吉林大学.():.严六明朱素华.分子动力学模拟的理论与实践.北京:科学出版社.():.(下转第 页)第 卷 第 期 年 月辽宁科技学院学报 .参考文献:张朕.东北抗联精神及其时代价值研究.大庆:东北石油大学.邱丹丹.东北抗联精神融入大学生思想政治教育研究.长春师范大学学报():.田维亮.红色资源的思想政治教育功能研究.武汉:中南民族大学.鲍朴.东北抗联的斗争历程.北京:中国国际广播出版社.刘伟.中国现代史纲要.北京:中国人民大学出版社.(上接第 页).():.李宇峰.纳米颗粒镶嵌薄膜力学性能及单轴拉伸行为的模拟研究.广州:暨南大学.徐彬.原位生成 结合 陶瓷复相耐火材料界面结合机理研究.武汉:武汉科技大学.():.王秋萍.碳纤维表面可控接枝聚合改性及其复相耐火材料界面模拟研究.南昌:南昌航空大学.李喻琨./复合陶瓷刀具材料界面分子动力学模拟研究.西安:西安工业大学.张晓博刘承军姜茂发.分子动力学模拟在冶金熔渣中的应用进展.材料导报().():.周言.煤和生物质灰熔融特性及对耐火材料侵蚀机理研究.镇江:江苏大学.倪成明.钛酸钙/镁铝尖晶石热导率非平衡分子动力学计算研究.大连:大连理工大学.():.(.):.: