典型固液界面热力学与动力学性质分子动力学研究.pdf

华东师范大学
博士学位论文
典型固液界面热力学与动力学性质的分子动力学研究
姓名:高玉凤
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:孙得彦
201104
摘要研究固液界面的性质对认识液体的润湿、晶体的生长与形核等都具有重要的意义。目前,采用计算模拟的方法对固液界面的性质进行研究已成为可能,而且大量有关固液界面性质的研究成果都来自于计算模拟。本文采用分子动力学方法,对典型体系固液界面的热力学与动力学性质进行分析与研究,主要研究内容可以概括为以下四个部分:一、对固体表面的纳米液滴进行分子动力学模拟,主要研究相互作用的细节对固液界面结构与润湿性质的影响。我们发现当相互作用较强,固液原子尺寸失配不是很大的情况下,固液界面附近的液体原子排列出现了长程有序结构。多体相互作用、固液相互作用的强度与距离,都会影响液滴在固体表面的润湿性质,并且随着固液相互作用强度的增大,液体原子与固体原子尺寸的失配对接触角的影响效果增强。二、对铁液滴在石墨烯表面和单壁碳纳米管中的润湿性质进行了模拟。模拟结果表明,对放在石墨烯表面的纳米铁液滴,接触角随液滴尺寸的增加而减小;但对包裹在碳管中的纳米铁液滴,接触角随管径的增加而减小;但接触角的大小与包裹液滴的长度无关。我们还根据修正后的杨氏方程估算了纳米铁液滴在石墨表面三相接触线的线张力的大小,得到了与理论研究相同的结果。通过对碳纳米管中的液体密度的分析,观察到液体的密度在垂直于管壁和平行于管壁的两个方向上都存在周期的波动,而且在碳管的轴向,密度波动的周期与碳管的周期一致。三、研究降温过程中,碳纳米管包裹的金属液滴的固化过程与固化结构。发现不同体系的降温过程中,能量随温度的变化规律不同,液体固化后的结构也不同。在碳纳米管管壁对内部液体影响较弱的体系中,随温度的降低,能量的变化规律与自由液体相似,且液体固化后形成晶体结构;反之,如果管壁对内部液体影响较强,能量随温度的变化关系复杂,降温过程中甚至观察到亚稳结构的出现,液体最终的固化结构通常为多层结构。四、采用自由固化方法,系统的研究了体系尺寸对固化过程中界面处温度梯度的影响。研究表明,体系在生长方向的长度对界面处温度梯度的影响很强。考虑到界面处温度梯度的存在,采用界面处的真实温度计算了金属铁与金属镁的动力学系数,并研究了铁和镁动力学系数的各向异性性质。采用界面处中文摘要
真实温度计算的结果约为采用热浴温度进行计算的两倍,但无论采用什么样的温度计算动力学系数,对相同的体系而言,其各向异性性质没有发生改变。关键词:分子动力学接触角碳纳米管线张力动力学系数中文摘要一Ⅱ一
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第一章绪论弟一旱瑁比固液界面的结构界面窍嘤胂嘀涞慕唤缑妫遣牧现衅毡榇嬖诘慕峁棺槌傻元,与材料的物理性能、力学性能、化学性能等均有密切的关系。自然界中的物质一般具有气相、液相和固相三种状态,按照两相接触生成的界面可分为以下几类:,,,,液一气界面。由于两种气体接触时会很快混合成一个新的气体相,。【俊自然界存在大量与界面相关的现象,尤其是固液界面现象,在人们日常的生产和生活中更是非常普遍,如液体在固体表面的铺展,焊锡焊接金属,机油对齿轮的润滑等。所以对固液界面结构与性质的研究在化工、材料加工等工业领域得到广泛应用,同时对高新技术的发展也起着重要的作用。本章将对固液界面的结构以及固液界面的热力学与动力学性质的研究现状和研究背景进行简要介绍。。在固液两相的交界处,原子受到界面附近纳米区域内原予的影响,所以界面不能够看作是单纯的固体与液体的结合,而是一个具有复杂结构的过渡区域。位于该区域内的原子与固体和液体内部的原子相比,受到来自固相和液相的共同相互作用,所以固液界面的结构与固体和液体内部的结构具有明显的差别。根据固液界面的微观结构的不同,通常将界面分为两类:粗糙界面和光滑界面【俊Mü怨桃航缑娼峁沟深入研究,不单可以得到界面结构与固体/液体内部结构的差别,而且可以通过对固液界面微观结构的研究得到有关晶体的生长的信息。下面就对这两种不同的界面结构及其对生长的影响进行简单介绍。粗糙界面粗糙界面在微观范围内是高低不平表现粗糙,ù邮呛旯凵峡蠢矗缑娣炊瞧街钡图中示由于粗糙界面上存在大量的结晶空位,液相原子可以直接进入空位与晶体相连接,固液界面