氧化硅气凝胶纳米粒子热力学性能的机理研究

作     者：杨云 

作者单位：石家庄铁道大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴红亚;任富建

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：氧化硅气凝胶 分子动力学 纳米材料 热力学性能 

摘      要：目前传统的块状氧化硅气凝胶存在着脆性大、韧性和热稳定性差等缺点,严重制约了气凝胶的大规模应用。氧化硅气凝胶的结构特性如成分比例、致密度和粒径等决定着其热力学性能,由于实验表征尺度的局限性,目前氧化硅气凝胶微结构特征与热力学性能的关联性还不明确。因此,本文从微结构出发,以设计具有可控热力学性能氧化硅气凝胶为目的,采用分子动力学方法研究氧化硅气凝胶中O/Si摩尔比(OSMR)、密度(ρ)以及粒子半径(R)对热力学性能的影响规律。本文的研究结果有望指导实验通过控制成分比例、密度以及纳米粒径大小来优化气凝胶热力学性能,拓宽气凝胶的多场景应用。采用Kieffer方法并结合Wolf-BKS势函数,建立了OSMR=1.5、1.6、1.7、1.8、1.9和2.0,ρ=250和430 kg/m,R=20和30 nm的氧化硅气凝胶纳米粒子模型,并从键长、键角、配位方式和微结构等方面分析了纳米粒子的结构特征。同一ρ和R下,随着OSMR从1.5增加到2.0,纳米粒子Si-O键键长增加,Si-O-Si键键角变大,O-Si-O键键角变小,分形维数减小,配位方式由Si(O)主导变为以Si(O)为主导,纳米粒子骨架分布不均匀性增加,小骨架减少,骨架致密度变大,孔径增加;同一OSMR和R下,随着ρ的增大,纳米粒子骨架致密度增加,均匀性变好,键长、键角均不发生变化;同一OSMR和ρ下,随着R的增大,纳米粒子更易形成球形结构。通过对氧化硅气凝胶纳米粒子模型进行力学单轴压缩-卸载模拟,分析了OSMR、ρ和R对弹性模量、抗压强度、内耗和残余应变等热力学性能的影响规律,揭示了不同微结构特征的氧化硅气凝胶在力学加载-卸载过程中的微结构演化机制,得出强韧化氧化硅气凝胶的最优结构特征。OSMR=1.5,ρ=430 kg/m和R=30 nm的氧化硅气凝胶纳米粒子有最大的弹性模量和抗压强度,韧性最好,且在加载-卸载过程中内耗最小并且残余应变为0,即可以完全回复到初始状态。当ρ=430 kg/m,同一R下,随着OSMR的增加,氧化硅气凝胶纳米粒子能承受的弹性模量变小,抗压强度降低,内耗逐渐增加,并且残余应变逐渐增加;当ρ=430 kg/m,同一OSMR下,R增大,弹性模量和抗压强度增加,内耗增加,R的大小不影响残余应变。当ρ=250 kg/m,在不同的OSMR和R下,氧化硅气凝胶纳米粒子所能承受的应力较小。最后,通过对力学模拟变形过程中键长和键角的演化分析,得到氧化硅气凝胶纳米粒子强韧化的微观机理。氧化硅气凝胶纳米粒子在加载-卸载过程中,通过键角的变化来承受应力;OSMR=1.8、1.9和2.0时氧化硅气凝胶纳米粒子在加载-卸载过程中产生的残余应变分别为0.1、0.35和0.35。因为在这三种OSMR下,随着应变的增加,氧化硅气凝胶纳米粒子的键角变化范围变大,并在卸载过程中,这部分键角没有回复到初始状态。通过对不同区域的键角变化进行分析得到,氧化硅气凝胶纳米粒子内部的受力不均匀,最顶端的键角所承受的应力最大,且变化范围较大。