【摘 要】
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偏高岭土性能优越,相关的深度开发对拓展其应用领域,加快我国经济发展有着重要意义。分子动力学是原子尺度下研究材料复杂物理和化学过程的有效工具,不仅能够克服实验条件的限制,而且可以对宏观实验提出方向性指导。本文采用分子动力学模拟的方法,从原子层面探究了偏高岭土理化性质变化的微观机理,为推进偏高岭土精细化改性进而在各领域内的广泛应用提供理论依据和指导。本研究的主要成果如下:（1）偏高岭土模型合理性及结构
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偏高岭土性能优越,相关的深度开发对拓展其应用领域,加快我国经济发展有着重要意义。分子动力学是原子尺度下研究材料复杂物理和化学过程的有效工具,不仅能够克服实验条件的限制,而且可以对宏观实验提出方向性指导。本文采用分子动力学模拟的方法,从原子层面探究了偏高岭土理化性质变化的微观机理,为推进偏高岭土精细化改性进而在各领域内的广泛应用提供理论依据和指导。本研究的主要成果如下:（1）偏高岭土模型合理性及结构性:针对各国学者对高岭土煅烧产物——偏高岭土的晶体结构仍存在争议,利用分子模拟手段讨论了五种偏高岭土构型的合理性,验证了只有Brindley-Nakahira模型的结构能够稳定存在,并将该模型用于后续偏高岭土的分子模拟。利用SEM和BET等微观表征技术对煅烧前后高岭土的颗粒大小、形貌和比表面积变化进行表征。结果表明:煅烧高岭土脱羟基会导致层间氢键断裂,从而颗粒破裂,比表面积增大。当温度过高,晶格发生畸变,骨架坍塌使得孔隙被堵塞,比表面积减小。（2）偏高岭土的表面湿润性:气-液-固或液-液-固界面的润湿性一般可通过接触角的大小来判断。通过建立土-水滴相互作用模型,用密度剖分法计算反应平衡后偏高岭土不同基面（硅面和铝面）的接触角。高岭土经过煅烧后,硅面结构未发生变化,因而偏高岭土硅面接触角约为105°,与高岭土硅面一致,均呈疏水性;偏高岭土铝面由于羟基和质子的缺失其亲水性减弱,由原来的0°增大到17°。该模拟结果与实验结果趋势一致,因此认为偏高岭土铝面结构变化是其宏观可湿润性变化的根本原因。（3）煅烧高岭土对钠离子的高温吸附性:利用分子模拟对钠离子密度分布、表面吸附点、径向分布函数和自扩散系数进行计算及分析。结果表明:（Ⅳ）Al-偏高岭土吸附钠离子效果最佳;不同于高岭土对Na+的静电吸附,偏高岭土的铝氧表面对Na+主要表现为不可逆的化学吸附;钠离子和铝氧面的桥键氧形成了长为2.3（?）的化学键,说明了钠离子与偏高岭土热反应最终生成碱铝硅酸盐;Na+在吸附区的自扩散系数小于扩散区,且二者均远小于Na+在溶液中的自由扩散。（4）偏高岭土在纳米压痕/划痕下的力学特性:压痕模拟中,将刚性压头分别压入偏高岭土硅面和铝面,获取压力、硬度、杨氏模量随压入深度的关系。结果表明:偏高岭土不同基面硬度和杨氏模量呈各向异性,其根本是由基面原子排列方式决定的,硅氧面中氧原子呈六边形紧密结合,因此硬度和杨氏模量均高于铝氧面;在对偏高岭土的划痕模拟中,探究了压入深度对法向力、摩擦力和摩擦系数的影响,随着划痕的进行,基底作用在压头上的法向力和摩擦力均增大,摩擦力比法向力对深度的依赖性更明显,因此,摩擦系数随深度的增加而增大。随着划痕深度的增加,材料出现软化。且只有在较深的压痕深度划动过程中,才能观察到压头前原子的堆积,随划痕深度的增加,切削堆积的体积也增大。（5）结合本文的研究内容及成果,从模型构建、可湿润性、吸附性和力学特性等方面,提出相关研究存在的一些不足及对未来研究的展望。
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