Mô phỏng quá trình nóng chảy của al2o3 và mgo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -[\ [\ - TÁC GIẢ Mai Thị Lan TÊN ĐỀ TÀI Mô trình nóng chảy Al O MgO LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Văn Hồng Hà Nội, năm 2011 -1- Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan MỤC LỤC MỞ ĐẦU .Error! Bookmark not defined 1.Lý chọn đề tài Error! Bookmark not defined Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu .Error! Bookmark not defined Phương pháp nghiên cứu .4 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG I TỔNG QUAN .Error! Bookmark not defined 1.1.Các phương pháp mô hệ ôxít .Error! Bookmark not defined 1.2 Hệ ôxít Al2O3 .8 1.3 Hệ ôxít MgO 10 1.4 Mô hình hóa trình nóng chảy 10 CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 14 2.1 Thuật toán động lực học phân tử 14 2.2 Gần Ewald-Hansen 18 2.3 Xác định thông số vi cấu trúc 21 2.3.1 Hàm phân bố xuyên tâm 22 2.3.2 Xác định số phối trí độ dài liên kết 25 2.3.3 Xác định phân bố góc 26 2.4 Xác định hệ số khuếch tán .27 2.5 Xây dựng mô hình 29 2.5.1 Mô hình Al2O3 29 2.5.2 Mô hình MgO 32 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Kết qủa mô hệ ôxít Al2O3 .Error! Bookmark not defined 3.2 Kết qủa mô hệ ôxít MgO .43 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 PHỤ LỤC 55 Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Thực tế cho thấy vật liệu ôxít (Al2O3, MgO, SiO2…) có vai trò quan trọng, ứng dụng rộng rãi ngành công nghệ vật liệu vật liệu bán dẫn, vật liệu từ, vật liệu cách điện Vật liệu ôxít thành phần đặc biệt quan trọng công nghiệp gốm, men thủy tinh Chẳng hạn, để có lớp men đáp ứng yêu cầu mối quan tâm hàng đầu nhà nghiên cứu ngành công nghệ gốm, lớp men có nguồn gốc từ loại vật liệu gốm-các hóa chất chủ yếu dạng ôxít, mà chúng nung lò đến nhiệt độ định, sau làm lạnh đến nhiệt độ lớp vật liệu ôxít hình thành có cấu trúc thủy tinh Như vậy, lớp vật liệu hình thành từ thay đổi cấu trúc phân tử ôxít hạ nhiệt độ Ưu điểm bật vật liệu hình thành cấu trúc thủy tinh không trở lại cấu trúc ban đầu Đây ưu điểm chịu nhiệt Chúng ta đánh giá hoàn toàn điều khiển ưu điểm vật liệu trình công nghệ hiểu biết sâu sắc vật liệu ôxít thành lớp thủy tinh Vì vậy, việc hiểu cấu trúc vi mô vật liệu ôxit, đặc biệt nhiệt độ chuyển pha bước quan trọng để hoàn thành công nghệ chế tạo vật liệu Hiện nay, hệ ôxít Al2O3, MgO - thành phần quan trọng trái đất nghiên cứu rộng rãi lý thuyết thực nghiệm [4,24,27,29,30] Việc nghiên cứu tính chất nóng chảy chúng có tầm quan trọng lớn ngành nghiên cứu khoa học trái đất Hàng loạt công trình nghiên cứu tính toán điểm nóng chảy Al2O3, MgO đựợc thực [4,24,27,31,37,38] Các nghiên cứu đặc trưng vật lý chuyển pha vật liệu chủ yếu nghiên cứu nhiệt độ phòng Một vài nghiên cứu thực nhiệt độ áp suất Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan cao[4,24] Thêm vào nhiệt độ chuyển pha nghiên cứu thông qua lượng tự pha rắn pha lỏng để tính nhiệt độ chuyển pha hệ cân Tuy nhiên phương pháp gặp số khó khăn hạn chế định [27] Phương pháp nghiên cứu với giá thành rẻ thực điều kiện mà nghiên cứu khác thực khó thực phương pháp mô động lực học phân tử (ĐLHPT) – tên tiếng anh Molecular Dynamics (MD) [4] Phương pháp thường mô hệ mà nguyên tử tương tác với nâng nhiệt độ lên đến trạng thái lỏng Phương pháp ĐLHPT sử dụng tương tác hiệu dụng xây dựng liệu thực nghiệm từ tính toán cấu trúc điện tử xác nhận công cụ mạnh nghiên cứu hệ vật chất ngưng tụ [14,24,26,31,38] Tuy nhiên, vấn đề mô độ tin cậy mô hình xây dựng phụ thuộc vào phương pháp, thông số đầu vào tương tác sử dụng việc xây dựng mô hình Vì khi nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy vật liệu oxit nói chung phương pháp mô ĐLHPT kết tìm nhà nghiên cứu có sai khác đáng kể Hơn nữa, Việt nam việc sử dụng phương pháp nghiên cứu nhiệt độ nóng chảy vật liệu ôxít mẻ Chính vậy, lý chọn đề tài: “ Mô trình nóng chảy Al2O3, MgO ” Kết tìm đánh giá phương pháp ĐLHPT vấn đề nghiên cứu chuyển pha vật liệu ôxít Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu hệ ôxít nguyên: Al2O3, MgO Luận văn tập trung vào nghiên cứu vấn đề sau: Mô nhiệt độ nóng chảy Al2O3, MgO Khảo sát vi cấu trúc mẫu: hàm phân bố xuyên tâm, phân bố số phối trí, phân bố độ dài liên kết Khảo sát tính chất khuếch tán mẫu, ảnh hưởng nhiệt độ lên cấu trúc địa phương hệ Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan Xác định vùng nhiệt độ chuyển pha mẫu vật liệu Al2O3 Đánh giá phương pháp ĐLHPT vấn đề nghiên cứu chuyển pha vật liệu ôxít Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp mô động lực học phân tử pha Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan - Giới thiệu hệ ôxít Al2O3 MgO, Phương pháp mô Mô hình hóa trình nóng chảy Chương 2: Phương pháp tính toán - Chương trình ĐLHPT, Mô nhiệt độ nóng chảy Chương 3: Kết Thảo luận Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan CHƯƠNG TỔNG QUAN Vật liệu ôxít quan tâm đặc biệt nhà nghiên cứu vật liệu ứng dụng đa dạng Các trình chuyển pha vật liệu ôxít có liên quan chặt chẽ đến trình công nghệ, thay đổi cấu trúc vi mô vật liệu cung cấp thông tin quan trọng mà từ tiêu kỹ thuật, thành phần, lý tính cho phép ta định hướng xác định giải pháp tối ưu cho trình công nghệ Chính vậy, việc hiểu biết giới hạn nhiệt thiết bị làm từ vật liệu ôxít quan trọng Gần đây, nhà khoa học nước giới tiến hành mô trình nóng chảy loại vật liệu thu số kết cho thấy phù hợp với thực nghiệm Chương trình bày vấn đề phương pháp mô hệ ôxít nói chung mô trình nóng chảy vật liệu ôxít nói riêng là: hệ ôxít Al2O3 MgO 1.1 Các phương pháp mô hệ ôxít Các vật liệu ôxít nghiên cứu phương pháp thực nghiệm mô Phương pháp thực nghiệm sử dụng như: nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ nơtron, phổ Raman, phổ hấp thụ tia X, cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) Phương pháp mô đời sau gần có số lượng lớn công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp cho nhiều kết giá trị Mô cho phép xây dựng mẫu vật liệu dạng mô hình khảo sát tính chất vật lý chúng Đây phương pháp thực nghiệm nhanh, rẻ tiền thuận tiện.Ngoài ra, phương pháp mô có nhiều ưu điểm so với phương pháp khác cho phép tìm hiểu tính chất vật lý hệ điều kiện đặc biệt, điều kiện mà phương pháp khác khó tiến hành Trong quan hệ với phương pháp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, mô thừa nhận phương pháp thực Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan nghiệm mô hình (computer experiments) đóng vai trò liên kết chặt chẽ hai phương pháp [1,6,19] Mô có ưu điểm bật mà phương pháp khác khó thực cho phép nghiên cứu hệ vật lý điều kiện đặc biệt với chi phí thấp cung cấp nhiều thông tin chi tiết [2,5] Bản chất trình mô lại trình nghiên cứu vật liệu phòng thí nghiệm Bởi vậy, mô xem phương pháp thực nghiệm mô hình hay thực nghiệm máy tính Các phương pháp mô thường sử dụng: Nguyên lý ban đầu, Monte Carlo (MC), Liên kết chặt, Động lực học phân tử (ĐLHPT) Phương pháp nguyên lí ban đầu: dựa việc giải hệ phương trình Schrodinger cho hệ nhiều điện tử không sử dụng thông số thực nghiệm Phương pháp áp dụng cho hệ nhỏ chứa từ vài chục đến vài trăm nguyên tử Phương pháp MC: việc tính toán chuyển đổi lúc vị trí nguyên tử theo thống kê Boltzman Phương pháp liên kết chặt: tính toán Hamiltonian ma trận sở dựa số liệu thực nghiệm xét đến ảnh hưởng hiệu ứng lượng tử Phương pháp áp dụng cho hệ lớn nhiều nguyên tử, sử dụng để nghiên cứu cấu trúc điện tử Phương pháp ĐLHPT: tính toán thực sở phương trình chuyển động Newton cho nguyên tử Phương pháp cho phép theo dõi chuyển động tập hợp nguyên tử theo thời gian xác định ảnh hưởng nhiệt độ, áp suất đến tính chất hóa lý chúng Một số tính chất vật lý cấu trúc địa phương, tính chất nhiệt động, tính chất khuếch tán khảo sát phương pháp ĐLHPT Khi thực nghiên cứu mô phỏng, ba vấn đề ảnh hưởng đến độ tin cậy kết thu là: tương tác, điều kiện biên, kích thước mô hình Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan Về khía cạnh vật lý, tương tác nguyên tử xác định tương tác ion, đám mây điện tử ion với đám mây điện tử Cho đến nay, nghiên cứu tương tác nguyên tử tiến hành mạnh mẽ thu số kết đáng kể Tuy nhiên, chưa nhận tương tác xác cho trường hợp cụ thể Vì vậy, người ta thường sử dụng số mô hình tương tác gần tương tác cặp, giả thế, thực nghiệm bán thực nghiệm Trong đó, tương tác cặp sử dụng rộng rãi tính đơn giản xây dựng mô hình nguyên tử Đối với mô hình hóa ĐLHPT MC cần phải chọn điều kiện biên thích hợp cho không gian tính toán Có loại điều kiện biên: Biên tự do, Biên cứng, Biên mềm, Biên tuần hoàn Biên tự do: bao quanh không gian tính toán chân không => đơn giản xác Các tinh thể lớn mô hình hóa cách sử dụng biên cứng, biên mềm hay biên tuần hoàn Biên cứng: lớp gồm nguyên tử đứng yên xếp bao quanh không gian tính toán Chiều dày lớp nguyên tử lớn khoảng cách tương tác nguyên tử Các nguyên tử lớp bao bọc tương tác với nguyên tử không gian tính toán => chủ yếu sử dụng để nghiên cứu khuyết tật điểm Biên mềm: nguyên tử thuộc miền biên có khả dịch chuyển chút lực tác dụng nguyên tử miền chu vi không gian tính toán => biền mềm sát thực tế so với biên cứng => sử dụng cho mô hình hóa khuyết tật kéo dài Biên tuần hoàn: sử dụng để mô hình hóa hệ lớn Ở điều kiện biên tuần hoàn, nguyên tử cực phải không gian tính toán tương tác với nguyên tử cực trái không gian tính toán.Tương tự, nguyên tử đỉnh không gian tính toán tương tác với nguyên tử đáy, nguyên tử phía trước tương tác với Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan nguyên tử phía sau Khi sử dụng điều kiện biên tuần hoàn, đường kính không gian tính toán phải lớn hai lần khoảng cách tương tác nguyên tử riêng biệt Trong luận văn này, sử dụng phương pháp ĐLHPT Mô hình ĐLHPT xây dựng có dạng lập phương với điều kiện biên tuần hoàn Tương tác Coulomb lực tương tác khác xác định Eward, tính cho tương tác tất cặp hạt mô hình [10,13,22,23] Phương pháp Eward đem lại kết xác tốn nhiều thời gian, số phép gần đề cập để diễn tả không thành phần đối xứng cầu mà thành phần đối xứng khối Với gần Hansen [21] lượng tương tác dạng chuỗi đa thức hàm exp mũ cho kết sai khác 0.1% cho tính toán nhanh 1.2 Hệ ôxít Al2O3 Ôxít nhôm hay nhôm ôxít hợp chất hóa học nhôm ôxy với công thức hóa học Al2O3 Nó biết đến với tên gọi alumina cộng đồng ngành khai khoáng, gốm sứ, khoa học vật liệu Ôxít nhôm thành phần bôxít, loại quặng chủ yếu chứa nhôm Trong công nghiệp, bôxít tinh luyện thành ôxít nhôm thông qua công nghệ Bayer sau chuyển thành nhôm kim loại theo công nghệ Hall-Heroult Các loại đá quý hồng ngọc xaphia chủ yếu ôxít nhôm, màu chúng tạp chất gây Ôxít nhôm lớp bảo vệ cho nhôm kim loại chống lại tác động ăn mòn không khí Nhôm kim loại chất hoạt động hóa học mạnh với ôxy không khí nhanh chóng tạo lớp mỏng ôxít nhôm bề mặt Lớp ôxít nhôm vững chắc, không cho không khí thẩm thấu qua nhôm không bị ôxí hóa tiếp Độ dày thuộc tính lớp ôxít tăng cường trình gọi anốt hóa Một loạt hợp kim, chẳng hạn đồng thau-nhôm, khai thác thuộc tính cách cho thêm lượng nhỏ nhôm vào hợp kim đồng thiếc để tăng tính chống ăn mòn Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan Ôxít nhôm chất cách nhiệt cách điện tốt Trong dạng tinh thể, gọi corunđum (Số CAS 1302-74-5 có độ cứng cao (theo thang độ cứng Mohs đạt tới 9) làm cho thích hợp để sử dụng vật liệu mài mòn thành phần thiết bị cắt Ôxít nhôm dạng bột thường sử dụng phương tiện cho ghi sắc kế Trong vật liệu gốm: Ôxít nhôm thành phần vật liệu gốm alumina thuộc nhóm lưỡng tính Chất nằm nguồn như: cao lanh, đất sét, fenspat, alumina vôi hóa, alumina ngậm nước Do alumina có nhiệt độ nóng chảy cao, vật liệu gốm sứ alumina giữ 90% độ bền 1100°C dùng để chế tạo chi tiết cần có tính chịu nhiệt Vật liệu gốm sứ alumina nung cứng cacbua vonfram hay ziricon có tính chống mài mòn cực tốt dùng để chế tạo chi tiết nghiền, dụng cụ & dao cắt, ổ bạc làm việc nhiệt độ cao nhiều chi tiết khí khác Alumina yếu tố quan trọng thứ hai sau silica (điôxít silíc) Cùng với silica ôxít trợ chảy, alumina ngăn chặn kết tinh (nhờ tạo thành thủy tinh - men ổn định) Alumina yếu tố làm tăng độ bền cho men: tăng độ bền kéo, giảm độ giãn nở nhiệt, tăng độ cứng tăng khả chống ăn mòn hóa học Thêm alumina nói chung làm tăng nhiệt độ nóng chảy men; nhiên, số công thức có chứa xôđa-vôi (hiđrôxít natri- hiđrôxít canxi, thêm lượng nhỏ alumina lại làm giảm nhiệt độ nóng chảy Tăng hàm lượng Al2O3 làm men "cứng" hơn, bền & ổn định khoảng nhiệt độ rộng (tuy nhiên hàm lượng cao dẫn đến "crawling", lỗ kim bề mặt thô ráp) Thêm alumina vào ngăn chặn kết tinh hóa mờ men trình làm nguội Alumina yếu tố khống chế độ chảy loãng men nung (vì alumina giúp hình thành mối liên kết chặt ôxít trợ chảy silica), giữ không cho men chảy loãng chảy khỏi bề mặt phủ men Đây lý gọi "ôxít trung gian" Luận văn thạc sỹ vật lý Mai Thị Lan ThongSo(long step,int in) DieuChinhT(double Tmoi,long step ) DieuChinhP(double dc) DichChuyen(long step,double Tmoi,int sT,int dcp,int sP,int in) */ double PV1; //****************************** void LucTheNang() { long i,j,k;long k1;double t,t1; double zij,pisqrt,pi2,ees,ll2; double v0,v4,v6,v8,dd0,dd4,dd6,dd8;double q,q2,q4,q6; double qx,qy,qz,qx2,qy2,qz2,qx4,qy4,qz4,qx6,qy6,qz6,qx8,qy8,qz8; double r,rx,ry,rz,s4,s6,s8,expq; double fm,fmx,fmy,fmz,fr,frx,fry,frz,fc,fcx,fcy,fcz; pisqrt=sqrt(pi);pi2=2*pi;ees=e0/es;ll2=l*l; for(i=0;i