一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法与流程

本发明属于扩散系数研究
技术领域：
，特别涉及一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法。
背景技术：
：连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(sic/sic复合材料)具备高比强度、比刚度、耐高温、耐腐蚀、低密度等特性，能有效的实现热端部件的减重，是航空发动机热端部件重要的候选材料。航空发动机以航空煤油作为主要燃料，其主要成分为碳氢化合物(cxhy)。cxhy和来自压气机的外界气流燃烧后会产生大量的水蒸气(约10％)和碳氧化物。当sic/sic复合材料处于富含氧气(o2)和水蒸气(h2o)的高温(900～1300℃)环境中时，sic基体和纤维会和环境中的o2反应而生成无定型sio2，形成致密氧化膜，h2o一方面会与sio2反应生成si(oh)4气体，使得sio2层厚度变薄。另一方面，h2o会与o2扩散进入sio2层与内部的sic基体和纤维进行反应，从而导致其力学性能快速衰退，进而造成材料寿命的衰减。扩散/界面协同控制理论表明，o2和h2o穿过sio2层到达sio2/sic界面的扩散速率很大程度决定了内部sic的氧化速率，故准确的模拟出o2和h2o在无定型sio2中的扩散速率对于建立材料的氧化动力学模型至关重要，其为进一步研究sic/sic复合材料在航空发动机服役环境下的力学性能奠定了坚实的理论基础。现有技术中，专利cn108304677a“一种分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法”公开了一种分析污染物在多孔碳材料孔隙中扩散性能的模拟方法，利用分子动力学模拟方法得到吸附剂内部孔道几何结构与污染物扩散速率的关系,但其扩散基于孔隙物质，不适应于致密结构。专利cn110021380a“一种基于分子动力学模拟探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法”公开了一种基于分子动力学模拟，通过对不同温度下玻璃结构的统计分析来探究玻璃体系中各原子扩散性质的方法，但该方法只局限于玻璃的自扩散，与混合气体在无定型物质中扩散情形不同。论文《moleculardynamicssimulationsofwaterstructureanddiffusioninsilicananopores》开展了298k时直径在1-4nm范围内二氧化硅纳米孔中液体水扩散的分子动力学研究。表明在该范围内，封闭会导致类似大块液体的水消失，最终求得扩散系数在10-9m2/s量级。但该方法只适用于模拟常温下孔隙中液体水的扩散，不适用于模拟高温环境下o2和h2o在无定型sio2中的扩散。论文《二氧化硅表面稠密的二氧化碳分子动力学模拟》开展了无定型二氧化硅表面二氧化碳的结构及性质，对超临界二氧化碳清洗微电子的过程机理有很大帮助，但该方法不适用于航空发动机燃烧室中水氧耦合的环境。论文《transportofraregasesandmolecularwaterinfusedsilicabymoleculardynamicssimulation》通过分子动力学模拟研究了稀有气体和分子水在熔融石英中的动力学和扩散性。结果表明，所研究的稀有气体的扩散率相差不到一个数量级，稀有气体的尺寸越小，其扩散率就越大。但该方法只适用于模拟水蒸气和稀有气体在熔融sio2中的扩散，不适用于研究水蒸气和氧气在在无定型sio2中的扩散。因此，有必要建立一种能够有效模拟高温环境下水蒸气和氧气在无定型sio2扩散系数的方法。技术实现要素：为了解决现有技术中无法有效计算水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的问题，本发明提供一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法，该方法采用分子动力学方法，建立高温(1000-1300℃)环境下水氧在无定型二氧化硅中扩散过程的模拟方法，从微纳观角度出发，更加形象立体的展示出扩散过程，并准确预测扩散系数。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法，包括以下步骤：步骤一：运用materialstudio建立初始模型，设置原子分组和电荷数；步骤二：运用lammps编写脚本，模拟二氧化硅的熔融过程；步骤三：设置模拟参数，模拟水氧在无定型二氧化硅中的扩散过程；步骤四：数据处理与分析。进一步的，所述步骤一包括以下步骤：运用materialstudio软件，导出α-sio2单胞模型，建立超胞(如图1所示)，在竖直向上的z方向两端表面si原子连接o-h键，使si原子价态饱和，在z方向扩充区域并放置水分子和氧气分子，建立扩散初始构型，并设置sio2中si原子、o原子、o-h中h原子、水分子中o原子和水分子中h原子的电荷并导出data文件。进一步的，所述步骤二包括以下步骤：选取模拟过程单位，设置周期性边界条件及截断半径；从晶态sio2制备无定型二氧化硅的步骤为：固定h2o分子和o2分子坐标，控制系统的温度和压强，经过两次降温获得非晶态sio2模型，充分弛域后获得稳定结构；制备无定型二氧化硅过程，选用morse函数描述sio2原子间相互作用，其中，为si原子、o原子中任意两个原子间作用力，d0、γ为morse势函数作用参数，rij为si原子、o原子、h原子中任意两个原子间距离，r0为截断半径，e为2.7182；通过计算非晶态sio2样本的径向分布函数(radialdistributionfunction，rdf)，描述样本的径向分布函数曲线；将样本的系统rdf第一个波峰的位置以及si-o第一谷和第二峰的位置与实验数据进行对比，验证了制备方法的正确性。进一步的，所述步骤二中，模拟过程单位是real，设置周期性边界条件，截断半径为进一步的，所述步骤二中，从晶态sio2制备无定型二氧化硅的步骤为：首先在nvt系综下，系统被加热到4000k后，经25k/ps的淬火速率使温度从4000k下降到300k，然后在npt系综下，经过75ps的加热使模型温度达到4000k，在模型充分熔融形成恒定尺寸后，在npt系综下经25k/ps的淬火速率使温度降到300k；整个过程采用0.5fs的时间步长，压强保持在1.013×105pa。进一步的，所述步骤三包括以下步骤：读取完成熔融过程的data文件，选用lennard-jones势函数描述原子间相互作用：其中，ulj(rij)为si原子、o原子、h原子中任意两原子间短程作用力，ε、σ为l-j势函数参数，rij为si原子、o原子、h原子中任意两个原子间质心间距离，rc为截断半径；远程作用力用库仑力表示：其中，e表示长程库仑力，c为长程作用参数，qi、qj为si原子、o原子、h原子中任意两个原子电量；任意两原子之间作用势函数参数采用lorentz-berthelot混和规则，即εij＝εi1/2εj1/2，σi、εi、σj、εj为同一种原子间作用势参数，σij、εij为si原子、o原子、h原子中任意两个原子间的作用势参数。分别在1000℃、1100℃、1200℃、1300℃下模拟水氧在无定型二氧化硅中的扩散。进一步的，所述步骤四包括以下步骤：由步骤三得到水氧在无定型二氧化硅的均方位移(mean-squareddisplacement，即msd)随时间的变化关系，扩散系数使用einstein方法表述为：其中，d为扩散系数，ri(t)为t时刻原子位置，并且对同一类原子进行平均值计算，ri(0)为初始时刻原子位置。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明方法可准确有效的计算水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数，为氧化动力学模型的建立奠定基础；(2)本发明方法从微纳观尺度分析原子扩散过程，可清楚直观观测原子位置变化，手段新颖；(3)本发明方法适用于不同环境下的模拟，克服试验研究条件苛刻、耗费巨大等缺点，更加经济安全。附图说明图1是初始模型图；图2是径向分布函数图；图3中(a)、(b)、(c)和(d)分别是1000℃、1100℃、1200℃、1300℃水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中msd随时间变化图；图4是水氧在无定型二氧化硅中实时输出图。具体实施方式下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。实施例1一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法，包括以下步骤：步骤一：运用materialstudio建立初始模型，设置原子分组和电荷数；所述步骤一包括以下步骤：运用materialstudio软件，导出α-sio2单胞模型，建立超胞(如图1所示)，在竖直向上的z方向两端表面si原子连接o-h键，使si原子价态饱和，在z方向扩充区域并放置水分子和氧气分子，建立扩散初始构型，并设置sio2中si原子、o原子、o-h中h原子、水分子中o原子和水分子中h原子的电荷并导出data文件；步骤二：运用lammps编写脚本，模拟二氧化硅的熔融过程；所述步骤二包括以下步骤：选取模拟过程单位real，设置周期性边界条件，截断半径为从晶态sio2制备无定型二氧化硅的步骤为：固定h2o分子和o2分子坐标，控制系统的温度和压强，经过两次降温获得非晶态sio2模型；具体地讲，首先在nvt系综下，系统被加热到4000k后，经25k/ps的淬火速率使温度从4000k下降到300k，然后在npt系综下，经过75ps的加热使模型温度达到4000k，在模型充分熔融形成恒定尺寸后，在npt系综下经25k/ps的淬火速率使温度降到300k；整个过程采用0.5fs的时间步长，压强保持在1.013×105pa；制备无定型二氧化硅过程，选用morse函数描述sio2原子间相互作用，其中，为si原子、o原子中任意两个原子间作用力(这里存在si-si、si-o和o-o的情况)，d0、γ为morse势函数作用参数，rij为si原子、o原子、h原子中任意两个原子间距离，r0为截断半径，e为2.7182；通过计算非晶态sio2样本的径向分布函数(radialdistributionfunction，rdf)，描述样本的径向分布函数曲线；将样本的系统rdf第一个波峰的位置以及si-o第一谷和第二峰的位置与实验数据进行对比，验证了制备方法的正确性。步骤三：设置模拟参数，模拟水氧在无定型二氧化硅中的扩散过程；所述步骤三包括以下步骤：读取完成熔融过程的data文件，选用lennard-jones势函数描述原子间相互作用：其中，ulj(rij)为si原子、o原子、h原子中任意两原子间短程作用力，ε、σ为l-j势函数参数，rij为si原子、o原子、h原子中任意两个原子间质心间距离，rc为截断半径；远程作用力用库仑力表示：其中，e表示长程库仑力，c为长程作用参数，qi、qj为si原子、o原子、h原子中任意两个原子电量；任意两原子之间作用势函数参数采用lorentz-berthelot混和规则，即εij＝εi1/2εj1/2，σi、εi、σj、εj为同一种原子间作用势参数，σij、εij为si原子、o原子、h原子中任意两个原子间的作用势参数。分别在1000℃、1100℃、1200℃、1300℃下模拟水氧在无定型二氧化硅中的扩散；步骤四：数据处理与分析；所述步骤四包括以下步骤：由步骤三得到水氧在无定型二氧化硅的均方位移(mean-squareddisplacement，即msd)随时间的变化关系，扩散系数使用einstein方法表述为：其中，d为扩散系数，ri(t)为t时刻原子位置，并且对同一类原子进行平均值计算，ri(0)为初始时刻原子位置。实施例2一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法，包括以下步骤：步骤一：运用materialstudio软件，导出sio2单胞模型，基于此建立8×8×15超胞(如图1所示)，在z方向两端表面si原子连接o-h键，使si原子价态饱和。在z方向扩充在扩充区域放置50个水分子和50个氧分子，由此建立的立方体盒子，共9082个原子。设置sio2中si原子电荷为1.3e，o原子电荷为-0.65e，o-h中h原子0.325e，水分子中o原子-0.82e，h原子0.41e。导出data文件。步骤二：模拟过程单位是real，设置周期性边界条件，截断半径为从晶态sio2制备无定型二氧化硅的步骤为：固定h2o分子和o2分子坐标，控制系统的温度和压强，经过两次从4000k到300k的缓慢降温获得无定型sio2模型。首先在nvt系综下，系统被加热到4000k后，经25k/ps的淬火速率使温度缓慢的从4000k下降到300k，然后在npt系综下，经过75ps的加热使模型温度达到4000k，在模型充分熔融形成恒定尺寸后，在npt系综下经25k/ps的淬火速率使温度降到300k。整个过程采用0.5fs的时间步长，压强保持在1.013×105pa。选用morse函数描述sio2原子间相互作用其中，为si原子、o原子中任意两个原子间作用力，d0、γ为morse势函数作用参数，rij为si原子、o原子、h原子中任意两个原子间距离，r0为截断半径，e为2.7182；参数如表1所示：表1sio2力场参数计算非晶态sio2样本的径向分布函数(radialdistributionfunction，rdf)，描述样本的径向分布函数曲线(如图2)。样本的系统rdf第一个波峰的位置以及si-o第一谷和第二峰的位置与实验数据进行对比，验证了制备方法的正确性。表2结构参数对比结构参数md模拟值/nm试验值/nmo-ordf第一峰位置0.2790.2626si-sirdf第一峰位置0.2430.3077si-ordf第一峰位置0.1730.1608si-ordf第二峰位置0.3550.425步骤三：读取完成熔融过程的data文件，选用lennard-jones势函数描述原子间相互作用：其中，ulj(rij)为si原子、o原子、h原子中任意两原子间短程作用力，ε、σ为l-j势函数参数，rij为si原子、o原子、h原子中任意两个原子间质心间距离，rc为截断半径；远程作用力用库仑力表示：其中，e表示长程库仑力，c为长程作用参数，qi、qj为si原子、o原子、h原子中任意两个原子电量；任意两原子之间作用势函数参数采用lorentz-berthelot混和规则，即εij＝εi1/2εj1/2，σi、εi、σj、εj为同一种原子间作用势参数，σij、εij为si原子、o原子、h原子中任意两个原子间的作用势参数；参数如下：表3l-j力场参数分别在1000℃、1100℃、1200℃、1300℃下模拟水氧在无定型二氧化硅中的扩散。步骤四：由步骤三得到水氧在无定型二氧化硅的均方位移(mean-squareddisplacement)，即msd。扩散系数使用einstein方法表述为：其中，d为扩散系数，ri(t)为t时刻原子位置，并且对同一类原子进行平均值计算，ri(0)为初始时刻原子位置。绘制msd随时间变化曲线如图3所示进行曲线拟合，并通过公式(4)计算可得扩散系数如表4所示，表4扩散系数扩散过程示意图如图4所示。由上述分析及图3可知，水分子的msd曲线上升阶段很短，水分子在模拟刚开始就已完全进入sio2内部，这与水蒸气在sio2内的溶解度远远高于氧气有关。在两种分子均完全溶解后，氧气在sio2内的扩散系数水蒸气约大1-2个数量级，可能是由于水蒸气具有粘性和吸附性，同时，扩散速率随着温度的增加而增大。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12