BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN VĂN YÊN
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ SỰ KHÔNG ĐỒNG NHẤT
ĐỘNG HỌC TRONG VẬT LIỆU SILICÁT BA NGUYÊN
PbO.SiO2, Al2O3.2SiO2 và Na2O.2SiO2 Ở TRẠNG THÁI
LỎNG VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN VĂN YÊN
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ SỰ KHÔNG ĐỒNG NHẤT
ĐỘNG HỌC TRONG VẬT LIỆU SILICÁT BA NGUYÊN
PbO.SiO2, Al2O3.2SiO2 và Na2O.2SiO2 Ở TRẠNG THÁI
LỎNG VÀ VÔ ĐỊNH HÌNH
Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT
Mã số: 62520401
LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGUYỄN VĂN HỒNG
2. PGS.TS. LÊ THẾ VINH
HÀ NỘI - 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Tất cả các số liệu và kết
quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nghiên cứu nào khác.
TM Tập thể hướng dẫn
1. PGS.TS. Nguyễn Văn Hồng
Nghiên cứu sinh
Nguyễn Văn Yên
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Văn Hồng và PGS.TS.
Lê Thế Vinh, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận
án.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và tạo điều kiện làm việc của Bộ môn Vật
lý tin học, Viện Vật lý kỹ thuật và Phòng đào tạo Sau đại học Trường Đại học Bách
khoa Hà Nội dành cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân, đồng nghiệp đã
dành nhiều tình cảm, động viên giúp đỡ tôi vượt qua những khó khăn để hoàn thành
luận án.
Hà Nội, ngày 21 tháng 12 năm 2017
Nguyễn Văn Yên
MỤC LỤC
Danh mục các từ viết tắt và ký hiệu.....................................................................................1
Danh mục các bảng biểu .....................................................................................................2
Danh mục các hình vẽ và đồ thị ..........................................................................................5
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 12
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Cấu trúc của silica ...................................................................................................... 16
1.2. Cấu trúc của hệ vật liệu silicát .................................................................................... 19
1.2.1. Hệ ôxít nhôm-silicát ....................................................................................... 19
1.2.2. Hệ ôxít chì-silicát ........................................................................................... 22
1.2.3. Hệ ôxít Natri-silicát ........................................................................................ 25
1.3. Động học của hệ vật liệu silicát .................................................................................. 27
1.3.1. Hệ ôxít nhôm-silicát ....................................................................................... 27
1.3.2. Hệ ôxít chì-silicát ........................................................................................... 30
1.3.3. Hệ ôxít Natri-silicát ........................................................................................ 32
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
2.1. Xây dựng mô hình ..................................................................................................... 35
2.1.1. Thế tương tác.................................................................................................. 35
2.1.2. Phương pháp mô phỏng .................................................................................. 37
2.2. Động học ................................................................................................................... 39
2.2.1. Phương pháp tính các thông số động học ........................................................ 39
2.2.2. Phương pháp tính động học không đồng nhất.................................................. 42
2.3. Phương pháp tính cấu trúc .......................................................................................... 43
2.3.1. Phương pháp phân tích cấu trúc ...................................................................... 43
2.3.2. Phương pháp tính một số cấu trúc đặc biệt ...................................................... 45
2.3.2.1. Phương pháp tính simplex .................................................................. 45
2.3.2.2. Phương pháp tính shell-core ............................................................... 46
CHƯƠNG 3. VI CẤU TRÚC CỦA HỆ NHÔM-SILICÁT VÀ CHÌ-SILICÁT
3.1. Cấu trúc trật tự gần ..................................................................................................... 49
3.1.1. Mô hình PbO.SiO2 lỏng.................................................................................. 49
3.1.2. Mô hình Al2O3.2SiO2 vô định hình ................................................................. 52
3.1.3. Mô hình Al2O3.2SiO2 lỏng ............................................................................. 56
3.1.4. Mô hình xAl2O3(1-x)SiO2 lỏng ...................................................................... 61
3.2. Cấu trúc trật tự khoảng trung ...................................................................................... 64
3.2.1. Mô hình PbO.SiO2 lỏng.................................................................................. 64
3.2.2. Mô hình Al2O3.2SiO2 vô định hình ................................................................. 66
3.2.3. Mô hình Al2O3.2SiO2 lỏng ............................................................................. 69
3.2.4. Mô hình xAl2O3(1-x)SiO2 lỏng ...................................................................... 78
3.3. Kết luận chương 3 ...................................................................................................... 83
CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIMPLEX VÀ
SHELL-CORE
4.1. Phương pháp simplex ................................................................................................. 84
4.1.1. Mô hình Na2O.2SiO2 lỏng .............................................................................. 84
4.1.1.1. Void-simplex ..................................................................................... 84
4.1.1.2. Oxy-simplex và Cation-simplex ......................................................... 86
4.1.2. Mô hình Al2O3.2SiO2 lỏng ............................................................................. 91
4.1.2.1. Cation-simplex và Oxy-simplex ......................................................... 91
4.1.2.2. Cation-simplex-cluster ....................................................................... 92
4.2. Phương pháp Shell-Core cho mô hình Al2O3.2SiO2 lỏng ............................................ 94
4.2.1. Shell-Core-particles ........................................................................................ 94
4.2.2. Shell-core-cluster............................................................................................ 98
4.3. Kết luận chương 4 .................................................................................................... 101
Chương 5. ĐỘNG HỌC KHÔNG ĐỒNG NHẤT CỦA NATRI VÀ NHÔM SILICÁT
5.1. Động học không đồng nhất....................................................................................... 102
5.1.1. Mô hình Na2O.2SiO2 lỏng ............................................................................ 102
5.1.1.1. Nguyên tử oxy và lân cận ................................................................. 102
5.1.1.2. Nguyên tử Si và Na ......................................................................... 108
5.1.2. Mô hình Al2O3.2SiO2 lỏng ........................................................................... 112
5.1.2.1. Nguyên tử oxy và lân cận ................................................................. 112
5.1.2.2. Nguyên tử Al và Si........................................................................... 116
5.2. Tương quan cấu trúc và động học ............................................................................. 119
5.2.1. Mô hình Na2O.2SiO2 lỏng ........................................................................... 119
5.2.2. Mô hình Al2O3.2SiO2 lỏng .......................................................................... 122
5.3. Kết luận chương 5 .................................................................................................... 126
KẾT LUẬN .................................................................................................................... 127
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................ 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 129
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
MD
Động lực học phân tử
DH
Động học không đồng nhất
NBO
Oxy không cầu
BO
Oxy cầu
DOP
Mức độ polymer hóa
D
Hệ số khuếch tán
η
Độ nhớt
T
Là nguyên tử Pb, Al, Si, Na
AS2
Nhôm-silicát Al2O3.2SiO2
VS
Void-simplex
OS
Oxy-simplex
CS
Cation- simplex
CSC
Cation - simplex-cluster
SC
Shell-Core
SCP
Shell-Core-particles
SCC
Shell-Core-cluster
< rt2 >
Dịch chuyển bình phương trung bình
< SC >
Kích thước cụm trung bình
< NLK >
Số liên kết trung bình
NC
Số lượng cụm
SM
Siêu phân tử
SPL
Hạt cứng
1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2.1
Các thông số thế tương tác cho hệ PbO.SiO2 và hệ Al2O3.2SiO2.
36
Bảng 2.2
Các thông số thế tương tác của hệ Na2O.2SiO2 [36]
37
Bảng 2.3
Thành phần số nguyên tử và mật độ của xAl2O3(1-x)SiO2 ở 3500
38
K và 0 GPa.
Bảng 2.4
Mật độ mô hình PbO.SiO2 và Al2O3.2SiO2.
38
Bảng 2.5
Hệ số khuếch tán các nguyên tử của hệ chì và nhôm-silicát lỏng.
41
Bảng 3.1
So sánh thực nghiệm của các đặc trưng cấu trúc của hệ
48
PbO.SiO2 lỏng.
Bảng 3.2
So sánh thực nghiệm và mô phỏng các thông số cấu trúc của hệ
48
Al2O3.2SiO2 vô định hình.
Bảng 3.3
So sánh thực nghiệm và mô phỏng các thông số cấu trúc của hệ
49
Al2O3.2SiO2 lỏng.
Bảng 3.4
Tỷ lệ khác nhau của các loại O trong hệ PbO.SiO2 lỏng với
66
khoảng áp suất là 0-30 GPa. OT là nguyên tử O liên kết với cả
Pb và Si; OSi là nguyên tử O chỉ liên kết với hai nguyên tử Si;
OPb là nguyên tử O chỉ liên kết với 2 nguyên tử Pb.
Bảng 3.5
Phân bố không gian của các liên kết giữa hai TOx kề nhau trong
74
chất lỏng AS2: Si-Si, Al-Al và Al-Si là liên kết giữa SiOx với
SiOx; AlOx với AlOx và giữa AlOx và SiOx; Nc, Ne và Nf tương
ứng là số liên kết góc, cạnh và mặt.
Bảng 3.6
Phân bố của các nguyên tử O cầu trong đơn vị SiO4 tại áp suất
74
khác nhau: Q4 là số đơn vị SiO4; Q4-0 là số đơn vị SiO4 độc lập;
Q4-1, Q4-2, Q4-3 và Q4-4 là số các đơn vị SiO4 có 1, 2, 3 và 4
nguyên tử O cầu.
Bảng 3.7
Phân bố số nguyên tử O cầu trong đơn vị SiO5 tại các áp suất
75
khác nhau: Q5-0 là số đơn vị SiO5 độc lập; Q5-1, Q5-2, Q5-3, Q5-4
và Q5-5 là số đơn vị SiO5 có 1, 2, 3, 4 and 5 nguyên tử O cầu.
Bảng 3.8
Phân bố số nguyên tử O cầu trong đơn vị SiO6 tại các áp suất
khác nhau: Q6-0 là số các đơn vị SiO6 độc lập; Q6-1, Q6-2, Q6-3,
Q6-4, Q6-5 và Q6-6 là số SiO6 có 1, 2, 3, 4, 5 và 6 nguyên tử O cầu.
2
75
Bảng 3.9
Mạng con Si-O, với Smc, Nmc tương ứng là kích thước và số
77
mạng con của Si-O.
Bảng 3.10
Mạng con Al-O, với Smc, Nmc tương ứng là kích thước và số
77
mạng con của Al-O
Bảng 3.11
Phân bố các loại liên kết giữa hai đơn vị cấu trúc liền kề TOx
81
trong chất lỏng xAl2O3(1-x)SiO2: Al - Al và Al - Si là liên kết
giữa các đơn vị AlOx với AlOx và giữa AlOx với SiOx; Nc, Ne và
Nf tương ứng là số các liên kết góc, cạnh và mặt.
Bảng 4.1
Đặc trưng của void-simplex; mVS là số void-simplex trung bình
85
cho mỗi nguyên tử; RVS là bán kính trung bình của void-simplex
tương ứng ở cấu hình áp suất 0.1MPa và 8 GPa.
Bảng 4.2
Đặc trưng cấu trúc Oxy-simplex (OS) với mOS là tỷ lệ OS trung
87
bình tính trên mỗi nguyên tử, ROS là bán kính OS tương ứng.
Bảng 4.3
Đặc trưng cấu trúc CS với mCS là số simplex trung bình của mỗi
89
nguyên tử, RCS là bán kính simplex tương ứng.
Bảng 4.4
Số OS tại các áp suất từ 0 GPa đến 20GPa, với mOS là số lượng
91
OS, ROS là bán kính tương ứng, NS là số nguyên tử O có trong
OS.
Bảng 4.5
Số CS tại các áp suất từ 0 GPa đến 20GPa, với mCS là số CS, RCS
92
là bán kính tương ứng, NS là số cation có trong các CS.
Bảng 4.6
Đặc trưng cấu trúc của CSC với SCSC, mCSC tương ứng là kích
92
thước và số cụm của CSC, NCSC là số nguyên tử cation thuộc
CSC, NAl/NSi là tỷ lệ số nguyên tử Al và Si trong CSC ở áp suất
cao và thấp.
Bảng 4.7
Đặc trưng của SCP tại áp suất 0 GPa.
95
Bảng 4.8
Đặc trưng của SCP tại áp suất 10 GPa.
95
Bảng 4.9
Đặc trưng của SCP tại áp suất 20 GPa.
96
Bảng 4.10
Đặc trưng của các SCC lớn tại áp suất 0 GPa.
99
Bảng 4.11
Đặc trưng cấu trúc của 3 loại SCC tại áp suất 0 GPa.
99
Bảng 5.1
Phân bố của kích thước cụm SC, số lượng cụm NC và dịch
121
2
chuyển bình phương trung bình
- Xem thêm -