纳米铝颗粒额外储能的原子模拟研究

摘要

铝纳米颗粒由于相比于微米铝具有极高的能量密度和比表面积使得其在推进系统中被用作金属燃料,近年来在基础和应用领域引起人们极大的兴趣。本文在前期实验研究的基础上,采用基于改进分析型嵌入原子方法(MAEAM)的分子动力学模拟定量地计算了纳米铝颗粒由于尺寸效应和非尺寸效应分别导致的额外储能大小。
　　首先采用基于MAEAM势的分子动力学模拟研究了块体铝在300K温度下不同空位浓度的额外储能,发现随着空位浓度的逐渐增加,晶格常数、体系总能量、额外储能和平均空位形成能呈现近似线性变化。
　　采用基于MAEAM势的分子动力学模拟研究了0K温度下纳米铝颗粒(粒径范围为0.6-22nm)尺寸效应导致的额外储能及相关参量的变化,发现纳米铝颗粒晶格常数、晶格收缩、结合能、额外储能和表面能都是与尺寸相关的。随颗粒尺寸逐渐减小额外储能的变化范围为2.12-57.61kJ/mol,与实验测定的额外储能在数量级上一致;随尺寸的减小表面能的变化范围为0.78-1.10J/m2,与其它模拟方法得出的结果很接近;同时发现纳米铝颗粒内部存在非均匀晶格畸变,且主要集中在表面的1-2个原子层。
　　采用基于MAEAM势的分子动力学模拟研究了0K温度下给定尺寸的纳米铝颗粒(粒径为10nm)非尺寸效应导致的额外储能及相关参量的变化,从模拟计算的结果发现纳米铝颗粒晶格常数、晶格收缩和额外储能随着空位浓度的逐渐增加呈现线性变化关系。当铝纳米颗粒空位浓度从0％增加到3%时,模拟计算的额外储能从4.68kJ/mol增加到7.21kJ/mol,与实验方法测定的额外储能大小接近。纳米铝颗粒在给定尺寸下的晶格收缩、额外储能和空位浓度呈现的一一对应关系给我们一些启发,通过实验方法测定纳米颗粒的尺寸和晶格收缩,我们可以通过MAEAM方法模拟的对应关系推算额外储能的大小和相应的空位浓度。

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1 绪论

1.1 前言

1.2 纳米铝粉的实验研究现状

1.3 纳米铝颗粒的计算机模拟研究进展

1.4课题来源、本文目的以及研究内容

2 块体铝空位缺陷储能的分子动力学模拟

2.1 前言

2.2分子动力学模拟过程

2.3 模拟结果与讨论

2.4 本章小结

3 纳米铝颗粒尺寸效应额外储能的分子动力学模拟

3.1 前言

3.2 纳米铝颗粒的模型建立及分子动力学模拟过程

3.3 模拟结果与分析

3.4 本章小结

4 纳米铝颗粒非尺寸效应额外储能的分子动力学模拟

4.1 前言

4.2 含空位的纳米铝颗粒分子动力学模拟过程

4.3 模拟结果与分析

4.4 本章小结

5 全文总结

5.1 全文主要内容及结论

5.2 发展与展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文目录