论文部分内容阅读
微晶玻璃是一种新型无机材料,具有优良的力学性能、化学稳定性、热稳定性、电学性能,在军工、电子、仪器仪表、光学、建筑等领域都具有良好的应用前景。CaO-Al2O3-SiO2-TiO2(CAST)体系微晶玻璃是非常有前途的绿色建材,已成为当前新型建材的研究热点。但微晶玻璃的制备多数需要1500度以上的高温,难于对微晶玻璃体系的微观结构进行表征,影响了微晶玻璃微观结构与性能关系的深层次研究。因此,开展对CAST微晶玻璃体系的计算机计算模拟研究工作,对了解微晶玻璃的微观结构、促进微晶玻璃研究和应用的发展具有重要的意义。本文采用分子动力学方法,首次对CAST体系微晶玻璃的微观结构进行了分子动力学模拟,获得了CAST体系的微观结构,并对TiO2含量及SiO2含量变化对体系微观结构的影响进行了研究分析。本文首先计算模拟了TiO2对CAST体系微观结构的影响。由径向分布函数曲线可知,Si-O和Al-O第一峰的位置在1.61?和1.75?,与文献报道数值基本一致。Ti-O也存在第一尖锐峰,由此可知Ti-O的结合能力与Al-O的结合能力类似。随着TiO2含量的不断增加,Ti的扩散速度先降低,随后再增加,出现这种结果的原因与硅酸盐网络结构中Ti的成网特性有关;体系中Si-O-Al含量先升高,随后趋于稳定,最后呈现下降趋势。而Si-O-Si的含量先呈现出逐渐减少的趋势,当TiO2添加量超过5.5%时,Si-O-Si的含量开始上升。Al-O-Al的含量是首先降低,然后不断上升,当TiO2添加量超过5.5%时,AlO-Al含量开始迅速减少。统计分析结果表明,随着TiO2含量的增加,体系中四面体[SiO4]的成网率变化不大,均保持在99%以上;而[AlO4]的成网率随着TiO2的增加呈现出先增加后减少的趋势,最大值达到91%;[TiO4]的成网率随TiO2的增加呈现出一直上升的趋势。本文同时计算模拟了SiO2含量对CAST体系微观结构的影响,结果表明,随着SiO2含量的不断增加,Ti的均方位移首先降低,然后增加;从体系中骨架桥氧的变化规律可以看出,随着SiO2的增加,网络结构中有2(Si-O-Al)→(Si-O-Si)+(Al-O-Al)的趋势,但当SiO2含量继续增加到52.5%时上述关系又反向进行。计算结果表明,SiO2含量的变化,对TiO2的结构形式基本没有影响,多数都以[TiO4]存在,说明其晶核剂作用的TiO2能够均匀稳定的存在于高温硅酸盐熔体中,这是能够实现均匀析晶的必要条件;计算结果还表明O-Si-O键角的分布比O-Al-O的键角分布更加集中,说明在CAST体系中增加SiO2不会影响O-Si-O键的分布,而对O-Al-O有一定程度的影响。