羅義

摘 要：本文通過使用Materials Studio軟件進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，討論單源SiBCN先驅(qū)體制備的SiBCN陶瓷先驅(qū)體在通過改變壓力大小，記錄實(shí)驗(yàn)過程中的溫度變化、能量變化、密度變化、結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)與角度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)合對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)[1]的總結(jié)思考，本文對(duì)SiBCN先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷的制備有具體研究與展望。

關(guān)鍵詞：SiBCN陶瓷；先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法；分子動(dòng)力學(xué)模擬

隨著時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步，人們對(duì)于材料的性能要求更加強(qiáng)烈，特別是近些年熱門的Si基陶瓷，更加是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。[2]為了更經(jīng)濟(jì)便捷的獲得高性能SiBCN陶瓷材料，人們通常選取單源先驅(qū)體通過發(fā)生一定的聚合反應(yīng)而形成陶瓷先驅(qū)體，進(jìn)而得到目標(biāo)陶瓷產(chǎn)物。而且由單源先驅(qū)體合成目標(biāo)先驅(qū)體，可以克服共聚時(shí)反應(yīng)的繁雜而導(dǎo)致的不同分子取代的差異，容易得到空間均勻的目標(biāo)先驅(qū)體，從而避免導(dǎo)致缺陷。對(duì)于SiBCN陶瓷來說，現(xiàn)在對(duì)于它的研究方面著重在如何使得產(chǎn)物的獲得更加快速簡(jiǎn)便，這就需要更加深入的了解其性質(zhì)。[3]通過對(duì)文獻(xiàn)的查閱，我們發(fā)現(xiàn)了幾種單源前驅(qū)體能夠達(dá)到所需的SiBCN陶瓷。[4]面對(duì)各種各樣的單源先驅(qū)體，在不同環(huán)境條件的影響因素會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的不確定性，這對(duì)于科研工作者來說是一件漫長(zhǎng)的工作。而使用計(jì)算機(jī)分子模擬的方法可以很好的突破這種局限，而且可以設(shè)計(jì)新的合成方法，從而使得科研工作者可以從經(jīng)驗(yàn)中轉(zhuǎn)化為定量的分析，這對(duì)于今后開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)有很強(qiáng)的參考意義。[5]

1 計(jì)算方法

1.1 模型構(gòu)建

本文所采用的參與反應(yīng)去除單源先驅(qū)體氯官能團(tuán)的物質(zhì)為甲胺，當(dāng)選擇好了氨解反應(yīng)物后，需要考慮對(duì)氯取代問題，我們既要考慮到合理性，也需要考慮到計(jì)算量。本文是為了探究最優(yōu)的單源先驅(qū)體，顯然取代越完全，能得到效果更好的目標(biāo)陶瓷。因本文不討論得到的脫氯后的聚合反應(yīng)，因此本文大膽的假設(shè)在最理想的狀態(tài)下，取代完全的情況下，對(duì)各單源先驅(qū)體進(jìn)行對(duì)比研究討論。本文中研究的單源SiBCN先驅(qū)體的球棍模型式如圖1所示。

1.2 模擬方法

使用materials studio對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化。對(duì)單源SiBCN陶瓷先驅(qū)體的研究，我們選擇materials studio中的Forcite模塊進(jìn)行研究。首先我們將單源SiBCN陶瓷先驅(qū)體的結(jié)構(gòu)導(dǎo)入materials studio中，然后點(diǎn)擊modules，選擇Forcite中的Calculation，實(shí)驗(yàn)的相關(guān)設(shè)置如圖2所示。

通過使用materials studio中的 Forcite進(jìn)行幾何優(yōu)化后所得到的單源SiBCN陶瓷先驅(qū)體的球棍模型如下圖3所示：

SiBCN陶瓷先驅(qū)體的分子量一般都達(dá)到了百萬級(jí)別，而如果完整的對(duì)其進(jìn)行分子模擬研究，將會(huì)產(chǎn)生大負(fù)荷工作量，而且計(jì)算時(shí)間也會(huì)相應(yīng)的變得很長(zhǎng)，而且如此巨大分子量的計(jì)算會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)死機(jī)、奔潰，同樣的這種計(jì)算所得到的結(jié)果也存在很大的誤差。有研究表明，在計(jì)算模擬的過程中，建立的單胞來進(jìn)行研究，所得到的的結(jié)果仍然能夠符合準(zhǔn)確性與要求[6-9]。所以我們?cè)趍aterials studio建立具有周期性的SiBCN先驅(qū)體的單胞初始模型，并同樣的在Forcite模塊下進(jìn)行稽核結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的模型如圖4所示。

得到了經(jīng)過幾何優(yōu)化的模型后，在一定壓力下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)平衡實(shí)驗(yàn)計(jì)算，記錄分析達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的壓力大小，為后續(xù)進(jìn)一步研究提供依據(jù)。選擇Forcite模塊，取NPT系綜，在真空條件下，分別取0.01Gpa與0.02Gpa，在溫度為298K，模擬時(shí)間步長(zhǎng)為1fs，總模擬步數(shù)為200ps。

2 結(jié)果與討論

2.1 0.01Gpa壓力下對(duì)SiBCN先驅(qū)體的分子動(dòng)力學(xué)模擬分析

先在0.01Gpa的環(huán)境下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，先對(duì)體系進(jìn)行一次NVT平衡，再在NPT體系下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過一定時(shí)間的實(shí)驗(yàn)后得到了溫度、能量、單胞密度、邊長(zhǎng)與角度的變化曲線。

從圖中可以看到，體系溫度的波動(dòng)范圍一般，在后期波動(dòng)的幅度沒有前期大，說明體系在隨著分子動(dòng)力學(xué)模擬的過程中，系統(tǒng)的溫度波動(dòng)逐漸變小，體系的不穩(wěn)定性減弱。

從圖中可以看到，體系的總能量隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行時(shí)，明顯的在后段的波動(dòng)幅度減小了，并且趨于穩(wěn)定，與圖5相匹配，體系的能量與溫度波動(dòng)一致，同樣說明體系相對(duì)穩(wěn)定。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的密度隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行先有往密度增大的方向變化幅度更大，后有往密度減小的方向變化，密度的這種變化也體現(xiàn)著體系的單胞邊長(zhǎng)的變化同樣符合這一趨勢(shì)。

2.2 0.02Gpa壓力下對(duì)對(duì)SiBCN先驅(qū)體的分子動(dòng)力學(xué)模擬分析

其他參數(shù)依然保持不變，繼續(xù)使用Forcite模塊，改變壓力為0.02Gpa壓力下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬分析。仍然先對(duì)體系進(jìn)行一次NVT平衡，再進(jìn)行NPT體系下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過一定時(shí)間的實(shí)驗(yàn)后同樣得到了溫度、能量、單胞密度、邊長(zhǎng)與角度的變化曲線。

從圖中可以看到，體系溫度的波動(dòng)范圍也比較大，在后期波動(dòng)的幅度也明顯變化，說明體系在隨著分子動(dòng)力學(xué)模擬的過程中，系統(tǒng)的溫度處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖中可以看到，體系的總能量隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行時(shí)，明顯的在后段的波動(dòng)幅度增大了，但前半段變化幅度比后一段小。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的密度隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行而變化幅度很大，且往密度減小方向變化趨勢(shì)明顯，而單胞的長(zhǎng)度則相反。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本文在學(xué)習(xí)掌握功能強(qiáng)大的分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件Materials studio的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)SiBCN的學(xué)習(xí)，從理論上建立了SiBCN陶瓷先驅(qū)體的單胞分子模型，運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)理論從分子水平的微觀角度進(jìn)行了模擬研究，整理實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果與數(shù)據(jù)，初步得到如下結(jié)論：

（1）首先通過理論分析并結(jié)合實(shí)際，得到了理論上適合進(jìn)行研究的SiBCN陶瓷先驅(qū)體的模型，加深了對(duì)SiBCN陶瓷先驅(qū)體的理論結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，并為今后的SiBCN陶瓷的研究提供了一定的理論依據(jù)。

（2）從單源先驅(qū)體出發(fā)來對(duì)合成的陶瓷先驅(qū)體進(jìn)行理論構(gòu)造，這樣得到的陶瓷先驅(qū)體能夠克服取代差異，減少缺陷。通過這兩點(diǎn)構(gòu)造的陶瓷先驅(qū)體結(jié)構(gòu)，在分子動(dòng)力學(xué)模擬下能夠獲得影響因素更少的有效理論結(jié)果，對(duì)今后研究同樣有參考意義。

（3）實(shí)驗(yàn)選用SiBCN先驅(qū)體進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，通過分別在0.01Gpa，0.02Gpa的條件下進(jìn)行模擬分析，通過改變壓力大小，能夠獲得在實(shí)驗(yàn)過程中的溫度變化、能量變化、密度變化、結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)與角度的數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)在0.01Gpa壓力下各項(xiàng)數(shù)據(jù)起點(diǎn)與終點(diǎn)對(duì)比變化很小，在0.02Gpa壓力下仍然看不到顯著變化，說明這種先驅(qū)體受到壓力的影響很小。

3.2 展望

本文通過使用Materials studio軟件建立起SiBCN陶瓷先驅(qū)體結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬。在改變壓力的條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，為今后研究與開發(fā)新條件下的陶瓷先驅(qū)體提供了一定的理論參考依據(jù)。但本文還有很多方面值得深入研究，包括：

（1）還需通過實(shí)驗(yàn)分析改變溫度，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)等條件的變化下對(duì)SiBCN先驅(qū)體進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，并分析結(jié)果規(guī)律。

（2）還需分析討論當(dāng)脫氯不完全的情況的SiBCN陶瓷先去體，并使用分子動(dòng)力學(xué)模擬來分析結(jié)果。

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