Thạc Sĩ Mô phỏng phân bố góc, tỷ phần các đơn vị cấu trúc và cơ tính của các vật liệu hai nguyên AOx

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
NĂM 2014
MỤC LỤC
Danh mục các từ viết tắt và ký hiệu . 1
Danh mục các bảng số liệu trong luận án . 2
Danh mục các hình vẽ trong luận án 4
Mở đầu . 8


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM CẤU TRÚC VÀ
PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VẬT LIỆU SiO2 VÀ Al2O3
1.1. Ôxít silíc (SiO2) 12
1.2. Ôxít nhôm (Al2O3) 18
1.3. Một số phương pháp mô phỏng các hệ ôxít . 22
1.3.1. Mô phỏng ab initio 23
1.3.2. Mô phỏng Monte–Carlo 25
1.3.3. Mô phỏng động lực học phân tử . 26
1.3.4. Phương pháp mô phỏng sử dụng trong luận án 27
1.4. Tình hình nghiên cứu SiO2, Al2O3 lỏng và VĐH ở trong nước 27


CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
VÀ PHÂN TÍCH MÔ HÌNH VẬT LIỆU
2.1. Xây dựng mô hình SiO2 và Al2O3 29
2.1.1. Phương pháp thống kê hồi phục 29
2.1.2. Phương pháp động lực học phân tử 31
2.1.3. Thế tương tác dùng trong mô phỏng SiO2 . 33
2.1.4. Thế tương tác dùng trong mô phỏng Al2O3 . 34
2.1.5. Gần đúng Ewald–Hansen . 35
2.1.6. Điều kiện biên tuần hoàn . 39
2.1.7. Các thông số mô hình 40
2.2. Các tính toán vi cấu trúc của hệ ôxít . 41
2.2.1. Hàm phân bố xuyên tâm . 41
2.2.2. Số phối trí và độ dài liên kết . 44
2.2.3. Phân bố góc liên kết . 46
2.2.4. Phân bố quả cầu lỗ hổng 48
2.2.5. Phân bố simplex . 51
2.3. Mô phỏng động học không đồng nhất . 52
2.3.1. Hàm tương quan hai điểm (Hàm van–Hove) 52
2.3.3. Hàm tương quan bốn điểm . 54
2.4. Tính toán cơ tính của mô hình vật liệu 62
2.4.1. Tính toán mô-đun đàn hồi . 62
2.4.2. Biến dạng theo một trục . 64


CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA ÁP SUẤT VÀ THẾ TƯƠNG TÁC
LÊN MÔ HÌNH SiO2 LỎNG
3.1. Hàm phân bố xuyên tâm . 65
3.2. Số phối trí trung bình . 70
3.3. Mật độ mô hình 71
3.4. Phân bố góc liên kết . 75
3.5. Kết luận chương 3 . 82
CHƯƠNG 4: TƯƠNG QUAN GIỮA PHÂN BỐ GÓC VÀ TỈ PHẦN
CỦA CÁC ĐƠN VỊ CẤU TRÚC
4.1. Mô phỏng vật liệu SiO2 VĐH . 84
4.1.1. Ảnh hưởng của áp suất lên vi cấu trúc của SiO2 VĐH . 85
4.1.2. Phân bố góc liên kết . 87
4.2. Mô phỏng vật liệu Al2O3 lỏng 91
4.2.1. Ảnh hưởng của áp suất lên vi cấu trúc của Al2O3 lỏng 92
4.2.2. Phân bố góc liên kết . 96
4.3. Mô phỏng vật liệu Al2O3 VĐH 100
4.3.1. Ảnh hưởng của áp suất lên vi cấu trúc của Al2O3 VĐH . 101
4.3.2. Phân bố góc liên kết . 103
4.4. Kết luận chương 4 . 104


CHƯƠNG 5: ĐỘNG HỌC TRONG SiO2 VÀ Al2O3 LỎNG,
CƠ TÍNH CỦA Al2O3 VĐH
5.1. Khuếch tán trong SiO2 và Al2O3 lỏng 105
5.2. Động học trong Al2O3 lỏng . 108
5.2.1. Hàm tương quan hai điểm . 108
5.2.2. Hàm tương quan bốn điểm 112
5.3. Phân bố quả cầu lỗ hổng, simplex và cơ tính của Al2O3 VĐH 116
5.3.1. Phân bố quả cầu lỗ hổng và simplex . 117
5.3.2. Cơ tính của Al2O3 VĐH . 120
5.4. Kết luận chương 5 . 124
Kết luận 125
Danh mục các công trình đã công bố . 127
Tài liệu tham khảo 128

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Các hệ ôxít như SiO2 và Al2O3 có vai trò quan trọng trong công
nghệ chế tạo vật liệu gốm, men, thủy tinh và các vật liệu kỹ thuật, được
ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Việc hiểu biết về cấu trúc cũng
như tính chất của các vật liệu ôxít này tại các nhiệt độ và áp suất khác
nhau là rất quan trọng để cải tiến công nghệ chế tạo các vật liệu mới. Tuy
nhiên, việc phân tích vi cấu trúc của các ôxít lỏng và VĐH bằng phương
pháp thực nghiệm (như phổ X–ray, phổ năng lượng quang phát xạ, phổ
cộng hưởng từ hạt nhân, phổ Raman, ) luôn gặp nhiều khó khăn do hiện
tượng chuyển pha đa thù hình và tính đa thù hình của vật liệu này dưới
các điều kiện nhiệt độ và áp suất khác nhau. Mặc dù được nghiên cứu
rộng rãi bằng cả thực nghiệm và lý thuyết, vấn đề đa thù hình vẫn đang
được tranh luận và còn nhiều điều chưa sáng tỏ, ví dụ sự biến đổi của
PBGLK trong các đơn vị cấu trúc và tỉ phần của các đơn vị cấu trúc dưới
tác động của nhiệt độ và áp suất. Trong thực tế, các thông số về PBGLK
và tỉ phần các đơn vị cấu trúc có ý nghĩa rất quan trọng trong việc làm
sáng tỏ một số tính chất vật lí và hóa học của các vật liệu ô-xít như là việc
xác định vị trí liên kết bề mặt chất xúc tác, năng lượng liên kết phổ quang
phát xạ, các tính chất dao động, Trong luận án này, chúng tôi đặt vấn
đề tìm hiểu mối tương quan giữa các tỉ phần đơn vị cấu trúc vi mô với
PBGLK, mối quan hệ giữa cấu trúc vi mô với các tính chất vật lí khác như
động học và cơ tính của hệ vật liệu ôxít này tại các điều kiện nhiệt độ và
áp suất khác nhau.


2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các hệ ôxít hai nguyên SiO2 và
Al2O3 ở trạng thái lỏng và trạng thái rắn VĐH. Nội dung nghiên cứu của
luận án tập trung vào các vấn đề sau đây: 1) Ảnh hưởng của thế tương tác
lên các mô hình SiO2 lỏng ; 2) Đặc trưng vi cấu trúc của SiO2 và Al2O3
dưới tác động của áp suất; 3) PBGLK và mối tương quan với tỉ phần các
đơn vị cấu trúc trong SiO2 và Al2O3; 4) Động học trong vật liệu SiO2 và
Al2O3 lỏng; 5) Cơ tính của Al2O3 ở trạng thái rắn VĐH.

3. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng ĐLHPT, các phương pháp
phân tích vi cấu trúc thông qua hàm PBXT; PBGLK; phân bố simplex;
phân bố quả cầu lỗ hổng. Phương pháp Monte–Carlo được dùng để xác
định thể tích của các quả cầu lỗ hổng. Phương pháp nén dãn mô hình để
nghiên cứu cơ tính của vật liệu. Phương pháp hàm hai điểm và bốn điểm
được sử dụng nghiên cứu động học của vật liệu.


4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Luận án cung cấp nhiều thông tin chi tiết về ảnh hưởng của thế
tương tác lên các mô hình vật liệu, vi cấu trúc của SiO2 và Al2O3 dưới tác
động của áp suất. Đặc biệt là mối tương quan giữa PBGLK trong các đơn
vị cấu trúc AOx (A là Si hoặc Al, x = 4, 5, 6) và OAy (y = 2, 3, 4) với tỉ
phần của chúng trong vật liệu. Đây sẽ là kỹ thuật hỗ trợ cho các phân tích
thực nghiệm trong nghiên cứu vi cấu trúc của các vật liệu có cấu trúc
mạng mất trật tự. Luận án cung cấp các tính chất động học bên trong vật
liệu SiO2 và Al2O3 lỏng, các thông tin về quả cầu lỗ hổng và simplex của
Al2O3 VĐH tại các mật độ khác nhau. Ngoài ra, luận án còn cung cấp
thông tin về cơ tính của Al2O3 VĐH và mối tương quan giữa phân bố quả
cầu lỗ hổng và tỉ phần đơn vị cấu trúc vào sự biến dạng của vật liệu.


5. Những đóng góp mới của luận án
Luận án đã khảo sát có hệ thống các đặc trưng vi cấu trúc của hệ vật
liệu ôxít SiO2 và Al2O3 lỏng và VĐH. Các mô hình vật liệu ôxít này được
xây dựng bằng các thế tương tác khác nhau nhằm khảo sát sự ảnh hưởng
của thế tương tác lên vi cấu trúc của vật liệu.
Luận án đã xây dựng được các biểu thức giải tích mô tả mối tương
quan giữa các PBGLK và tỉ phần các đơn vị cấu trúc của các vật liệu ôxít
SiO2, Al2O3 lỏng và VĐH. Trên cơ sở biểu thức giải tích này, tỉ phần các
đơn vị cấu trúc của vật liệu có thể được xác định từ các PBGLK đo được
bằng thực nghiệm và ngược lại. Biểu thức tương quan này sẽ là công cụ
hỗ trợ cho các kỹ thuật phân tích vi cấu trúc trong thực nghiệm. Trong
luận án, biểu thức giải tích của mật độ phụ thuộc vào nồng độ các đơn vị
cấu trúc của vật liệu cũng được xây dựng.
Luận án đã nghiên cứu tích chất động học của vật liệu ôxít SiO2
lỏng. Ngoài ra, động học của Al2O3 lỏng được nghiên cứu trên cơ sở hàm
tương quan hai và bốn điểm.
Luận án đã nghiên cứu có hệ thống về cơ tính của vật liệu Al2O3
VĐH tại các mật độ khác nhau. Sự ảnh hưởng của quá trình biến dạng lên
các tỉ phần đơn vị cấu trúc cũng như phân bố quả cầu lỗ hổng trong mô
hình vật liệu cũng được khảo sát một cách cụ thể.


6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được bố cục gồm 5 chương.
Chương 1 trình bày tổng quan về về đặc điểm vi cấu trúc và phương pháp
mô phỏng các hệ vật liệu SiO2 và Al2O3.
Chương 2 trình bày phương pháp mô phỏng ĐLHPT, thế tương tác
của các mô hình vật liệu SiO2 và Al2O3, các phương pháp xác định cấu
trúc vi mô của vật liệu, phương pháp hàm tương quan hai và bốn điểm
cũng như nghiên cứu cơ tính của vật liệu bằng phương pháp biến dạng mô
hình vật liệu.
Chương 3 trình bày ảnh hưởng của thế tương tác, áp suất đến vi cấu
trúc và mối tương quan giữa PBGLK với tỉ phần các đơn vị cấu trúc bên
trong hệ vật liệu SiO2 lỏng.
Chương 4 trình bày mối tương quan giữa PBGLK và tỉ phần các
đơn vị cấu trúc trong các vật liệu dạng cấu trúc mạng như SiO2 VĐH,
Al2O3 lỏng và VĐH.
Động học trong mô hình vật liệu SiO2, Al2O3 lỏng cũng như cơ tính
của vật liệu Al2O3 VĐH được trình bày chi tiết trong chương 5.