激光冲击碳材料合成纳米金刚石的相变机理研究

摘要

以激光为能量源的金刚石制备方法因可获得纯度高、粒径小、分布范围窄的纳米金刚石而表现出强大的生命力，但由于激光与材料的相互作用是一个极端非平衡过程，许多实验参数在瞬间发生急剧变化，很难进行实时分析与监控，因此，在激光作用下其它碳材料向金刚石转变的物理、化学机制目前尚不十分清楚。本文从实验及计算机模拟两方面对激光作用下碳材料相变机理进行了深入研究。 ㈠首先从碳原料的结构、尺寸、激光功率密度和工作介质四个方面对激光作用下碳材料相变的关键影响因素进行了实验和分析。研究结果表明：(1)在较低功率密度激光作用下，石墨是炭黑向金刚石转变的中间相，即石墨比炭黑更易于转变为金刚石；(2)随着晶体尺寸的减小，石墨的形成热增大，稳定性降低，导致微晶石墨比片状石墨更易于发生向金刚石的转变；(3)激光功率密度越高，加热效率越高，热损失越小，石墨表而温度越高，随后的冷却速率越高，越有利于发生碳的相变；(4)由于空蚀现象的存在，水中激光利用效率要高于空气中的激光利用效率，同时，在激光作用下，水介质分解、离化形成的H+、OH-等活性粒子对金刚石的形核、长大过程具有促进作用。 ㈡为了能够对碳材料相变的动力学过程进行模拟，在对现有分子动力学软件进行系统分析的基础上，按照面向对象软件工程规范，设计开发了适合于模拟碳材料原子间相互作用的分子动力学模拟软件CMMD。该软件的特色在于提供了适合于描述碳材料原子之间相互作用的势函数，从而能够模拟共价键的形成和断裂，反映碳材料相变的微观过程。在该软件的设计中采用了MVC架构模式，将体系结构设计为三层，即表现层、控制与转换层和模型层；并使用面向对象的标准C++语言、GCC编译器、MPI、Qt和GLUT在RedHat Linux操作系统上编程，完成了CMMD。 ㈢分析了脉冲激光与石墨相互作用的物理机制，提出石墨对激光的吸收具有非金属的特征，而对激光的能量传递则具有金属的特征，用自由电子的经典模型来描述激光与石墨的能量耦合过程，用分子动力学方法对脉冲激光作用下石墨的升温和降温过程进行模拟。结果表明，在功率密度为109W/cm2的纳秒脉冲激光作用下，石墨晶格在极短的时间内快速升温(晶格温度可达5100K)以致熔化形成液态碳。在随后的降温过程中，sp2、sp3杂化的碳原子共存，即石墨与金刚石同时形核、长大，但sp2杂化的碳原子在系统中占有主导地位。由于系统的冷却速率高达1011K/s，在降温结束后，石墨结构与金刚石结构得以共存。该模拟结果揭示了激光诱导的碳材料相变遵循熔化-结晶机制，而非固态相变机制。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2人工合成金刚石的发展及其合成机理

1.2.1高温高压法

1.2.2化学气相沉积法(CVD法)

1.2.3激光法合成金刚石

1.3金刚石合成的数值模拟研究进展

1.3.4高温高压法合成金刚石的数值模拟

1.3.5化学气相沉积法合成金刚石的数值模拟

1.3.6激光法合成金刚石的数值模拟

1.4研究背景及意义

1.5本文研究内容及主要创新点

1.6论文结构

第二章 碳材料相变的理论基础

2.1碳的结构

2.1.1碳的价键结构

2.1.2碳的晶体结构

2.1.3碳的能带结构

2.2碳的相图

2.2.1碳的温度-压力平衡相图

2.2.2碳的非平衡相图

2.3金刚石合成的热力学与动力学条件

2.3.1石墨向金刚石的直接转化

2.3.2石墨向金刚石转变的能量势垒

2.3.3纳米金刚石的形核条件

第三章 激光作用下碳材料相变的关键影响因素分析

3.1碳原料结构的影响

3.1.1原料结构分析

3.1.2实验过程

3.1.3结果与讨论

3.1.4结论

3.2碳原料尺寸的影响

3.2.1原料分析

3.2.2结论

3.3激光功率密度的影响

3.4水介质的影响

第四章 碳材料相变的分子动力学模拟软件CMMD的没计和开发

4.1引言

4.2分子动力学模拟概述

4.2.1从头计算(ab initio)分子动力学模拟

4.2.2基于密度泛函理论的分子动力学模拟

4.2.3基于经验势的分子动力学模拟

4.2.4分子动力学模拟软件现状

4.3碳材料分子动力学模拟软件CMMD的分析和设计

4.3.1软件需求分析

4.3.2概要设计

4.3.3分子动力学模拟计算引擎的详细设计

4.3.4控制和转换层的详细设计

4.3.5表现层的详细设计

4.4 CMMD的软件开发与实现

第五章 激光作用下石墨相变的分子动力学模拟

5.1脉冲激光与石墨相互作用的物理机制

5.1.1石墨对脉冲激光的能量吸收

5.1.2石墨对脉冲激光的能量传递

5.2激光作用下石墨升温的MD模拟

5.2.1势函数的选择

5.2.2模拟方法

5.2.3结果与讨论

5.3液态碳凝固过程的MD模拟

5.3.1模拟方案

5.3.2结果与讨论

5.4结论

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢