高热流密度激励多层石墨烯剥离的分子动力学模拟
发布时间：2021-02-27 12:36
由于石墨烯在热学、力学、电学等方面都具有优异性能,在众多领域拥有非常广阔的应用前景,是科研工作者的研究热点。但是阻碍石墨烯广泛应用的重要问题是:石墨烯的制备、分散和稳定存在。自石墨烯发现以来,已经产生很多石墨烯的制备方法,比如化学气相沉积法、氧化还原法、外延生长法等等,但是这些制备方法都存在一定的不足,如重复性差,制备条件苛刻,生产规模小等。本文采用高热流密度激励的方法,首先研究石墨烯在水中的运动现象,为研究石墨烯剥离进行铺垫;然后建立石墨烯和水混合体系,探究不同热流密度和石墨烯片层间距下石墨烯在水中的剥离规律。由于高热流密度激励温度极高,作用时间非常短,而且石墨烯导热系数高,能够产生爆炸沸腾,推动石墨烯片层运动,所以本文采用分子动力学模拟为研究方法,用高温代替高热流密度对石墨烯和水混合体系进行激励,探究石墨烯在水的剥离过程与机理。本文主要开展了以下研究工作:第一部分是研究热激励下石墨烯在水中的运动规律。建立纯水模型和石墨烯与水混合的模型,热激励温度1000K下进行模拟。最后分析体系的密度、原子和温度、压力分布,得出以下结论:石墨烯能加快热量传递,使水分子获得较大动能,沸腾更加深入,热...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
模拟流程图
高热流密度激励多层石墨烯剥离的分子动力学模拟8算法和速度形式的Verlet（Velocity-Verlet）算法[66]。目前使用最多的求解牛顿运动方程的积分算法就是Velocity-Verlet算法。Velocity-Verlet法能够弥补Velert算的缺陷，可以同时获得位置、速度和加速度等信息，而且所需记忆空间小，精度也很高[67]。速度形式的Verlet（Velocity-Verlet）算法形式如下：(+)=()+()+12!()2(2-6)(+)=()+12[()+(+)](2-7)2.2.3边界条件分子动力学模拟只能模拟有限空间内的有限个原子，只能通过模拟计算有限原子的相关参数来反映物质的宏观性质，那么就需要对模型进行边界处理，选择正确的边界条件，是保证模拟结果准确的必要条件。系统边界条件需要根据模型模拟过程选择，主要有非周期性的和周期性两种。非周期性边界条件种主要是自由边界条件和固定边界条件两种，自由边界条件常用于大型自由分子（原子）模拟；固定边界条件常用于单项加载模型中[68]。周期性边界条件的使用较为普遍，周期性边界条件模型中的粒子的在模拟中，如果有几个粒子从模型中离开，那么一定会从相反的界面进入几个粒子到模型中，计算原子受力情况时采用最近镜像方法，这样模型中的原子数目、密度始终保持不变中，而且没有边界效应[69]。图2-2是周期性边界条件示意图。图2-2周期性边界简示图Fig.2-2Schematicdiagramofperiodicboundaries
青岛科技大学研究生学位论文133.2模拟参数和流程图3-1纯水模型（a）和不同状态石墨烯与水混合体系(b)，(c)模型Fig.3-1Purewatermodel(a)andmixedsystemsofgrapheneandwaterindifferentstates(b),(c)models本章盒子大小为100×100×10003，整个模型在x、y方向长宽分别78，水分子分布在z方向20~40，热激励范围为4（30~34）。计算采用LAMMPS软件。具体参数为σc-o=3.19，εc-o=0.095kcal/mol，σo-o=3.166，σo-o=0.155kcl/mol[83]，截断半径为10。时间步长取1fs。单位制选用real，所用到的单位表示如表3-1所示。表3-1real单位表示形式Table3-1Therepresentationofrealunits物理量单位表示质量长度时间能量速度温度压力密度grams/moleAngstromsfemtosecondskcal/moleAngstroms/femtosecondKelvinatmospheresgram/(cm3)本部分模拟分两部分分子动力学过程完成:(1)对图3-1(a)(b)(c)盒子进行NVT控温[84]，监控不同温度下三种体系的状态，对不同时刻盒子在z轴方向的密度分布进行统计。(2)对图3-1(a)(b)(c)所示水盒子设置一层厚度为4的高能表面水层(1000K，30~34)，设置时间为100fs，监控不同时刻体系的状态，同样对其密度分布进行统计。控温过程是系统在正则系综（NVT）下进行1000fs的Nose-Hoover控温；然后撤掉控温，在微正则系综（NVE）[85]下进行10ps计算。100fs时刻，高能
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯的制备及其在建筑防水领域中的应用研究探索[J]. 马伟伟. 中国建筑防水. 2019(06)
[2]石墨烯孔金属化制程的重大突破[J]. 方景礼,陈伟元. 印制电路信息. 2019(04)
[3]热激励下碳纳米管与水混合体系传质传热的分子动力学模拟[J]. 唐元政,刘增,何燕,蒋英男. 原子与分子物理学报. 2019(02)
[4]基于微流控驻停气泡的连续型气-液微反应器[J]. 李博文,刘吉晓,周一笛,郭士杰,李铁军. 液压与气动. 2018(09)
[5]石墨烯材料及其应用[J]. 曹宇臣,郭鸣明. 石油化工. 2016(10)
[6]石墨烯制备的方法、特性及基本原理[J]. 胡忠良,蒋海云,赵学辉,李娜,丁燕鸿. 材料导报. 2014(11)
[7]超急速爆发沸腾的傅立叶与小波分析[J]. 尹铁男,淮秀兰,闫润生,梁世强. 工程热物理学报. 2008(06)
博士论文
[1]多孔石墨烯燃烧法制备和正压氢气氛处理衬底对石墨烯生长影响[D]. 杨秋云.中国科学技术大学 2019
[2]化学修饰石墨烯膜的可控制备与应用[D]. 黄亮.清华大学 2016
[3]新型分子开关的理论研究：量子化学与分子动力学模拟相结合[D]. 王兴勇.南京大学 2013
硕士论文
[1]基于分子动力学模拟的硬质合金刀具切削GH4169刀—屑界面扩散机理研究[D]. 兰鹤.长春工业大学 2019
[2]单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学模拟[D]. 臧翔.长春理工大学 2019
[3]基于分子动力学模拟的MoS2纳米片和生物分子之间相互作用机制的研究[D]. 武荣荣.江苏大学 2019
[4]晶体缺陷对TiAl涂层阻尼性能影响的研究[D]. 张馨予.沈阳航空航天大学 2019
[5]基于分子动力学的多晶石墨烯力学性能研究[D]. 贺煜.西安建筑科技大学 2016
[6]石墨烯基底上超薄液膜的爆炸性沸腾研究[D]. 张海燕.西安电子科技大学 2015
[7]石墨烯纳机电谐振器初始张力的分子动力学研究[D]. 孟晓洁.西安电子科技大学 2015
[8]石墨烯热学特性的分子动力学模拟[D]. 唐恺.华中科技大学 2015
[9]基于分子动力学对含裂纹石墨烯的力学性能研究[D]. 刘秦龙.西安建筑科技大学 2015
[10]碳纳米管/三元乙丙橡胶复合材料导热系数分子动力学模拟[D]. 杨刚.青岛科技大学 2013
本文编号：3054243
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
模拟流程图
高热流密度激励多层石墨烯剥离的分子动力学模拟8算法和速度形式的Verlet（Velocity-Verlet）算法[66]。目前使用最多的求解牛顿运动方程的积分算法就是Velocity-Verlet算法。Velocity-Verlet法能够弥补Velert算的缺陷，可以同时获得位置、速度和加速度等信息，而且所需记忆空间小，精度也很高[67]。速度形式的Verlet（Velocity-Verlet）算法形式如下：(+)=()+()+12!()2(2-6)(+)=()+12[()+(+)](2-7)2.2.3边界条件分子动力学模拟只能模拟有限空间内的有限个原子，只能通过模拟计算有限原子的相关参数来反映物质的宏观性质，那么就需要对模型进行边界处理，选择正确的边界条件，是保证模拟结果准确的必要条件。系统边界条件需要根据模型模拟过程选择，主要有非周期性的和周期性两种。非周期性边界条件种主要是自由边界条件和固定边界条件两种，自由边界条件常用于大型自由分子（原子）模拟；固定边界条件常用于单项加载模型中[68]。周期性边界条件的使用较为普遍，周期性边界条件模型中的粒子的在模拟中，如果有几个粒子从模型中离开，那么一定会从相反的界面进入几个粒子到模型中，计算原子受力情况时采用最近镜像方法，这样模型中的原子数目、密度始终保持不变中，而且没有边界效应[69]。图2-2是周期性边界条件示意图。图2-2周期性边界简示图Fig.2-2Schematicdiagramofperiodicboundaries
青岛科技大学研究生学位论文133.2模拟参数和流程图3-1纯水模型（a）和不同状态石墨烯与水混合体系(b)，(c)模型Fig.3-1Purewatermodel(a)andmixedsystemsofgrapheneandwaterindifferentstates(b),(c)models本章盒子大小为100×100×10003，整个模型在x、y方向长宽分别78，水分子分布在z方向20~40，热激励范围为4（30~34）。计算采用LAMMPS软件。具体参数为σc-o=3.19，εc-o=0.095kcal/mol，σo-o=3.166，σo-o=0.155kcl/mol[83]，截断半径为10。时间步长取1fs。单位制选用real，所用到的单位表示如表3-1所示。表3-1real单位表示形式Table3-1Therepresentationofrealunits物理量单位表示质量长度时间能量速度温度压力密度grams/moleAngstromsfemtosecondskcal/moleAngstroms/femtosecondKelvinatmospheresgram/(cm3)本部分模拟分两部分分子动力学过程完成:(1)对图3-1(a)(b)(c)盒子进行NVT控温[84]，监控不同温度下三种体系的状态，对不同时刻盒子在z轴方向的密度分布进行统计。(2)对图3-1(a)(b)(c)所示水盒子设置一层厚度为4的高能表面水层(1000K，30~34)，设置时间为100fs，监控不同时刻体系的状态，同样对其密度分布进行统计。控温过程是系统在正则系综（NVT）下进行1000fs的Nose-Hoover控温；然后撤掉控温，在微正则系综（NVE）[85]下进行10ps计算。100fs时刻，高能
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯的制备及其在建筑防水领域中的应用研究探索[J]. 马伟伟. 中国建筑防水. 2019(06)
[2]石墨烯孔金属化制程的重大突破[J]. 方景礼,陈伟元. 印制电路信息. 2019(04)
[3]热激励下碳纳米管与水混合体系传质传热的分子动力学模拟[J]. 唐元政,刘增,何燕,蒋英男. 原子与分子物理学报. 2019(02)
[4]基于微流控驻停气泡的连续型气-液微反应器[J]. 李博文,刘吉晓,周一笛,郭士杰,李铁军. 液压与气动. 2018(09)
[5]石墨烯材料及其应用[J]. 曹宇臣,郭鸣明. 石油化工. 2016(10)
[6]石墨烯制备的方法、特性及基本原理[J]. 胡忠良,蒋海云,赵学辉,李娜,丁燕鸿. 材料导报. 2014(11)
[7]超急速爆发沸腾的傅立叶与小波分析[J]. 尹铁男,淮秀兰,闫润生,梁世强. 工程热物理学报. 2008(06)
博士论文
[1]多孔石墨烯燃烧法制备和正压氢气氛处理衬底对石墨烯生长影响[D]. 杨秋云.中国科学技术大学 2019
[2]化学修饰石墨烯膜的可控制备与应用[D]. 黄亮.清华大学 2016
[3]新型分子开关的理论研究：量子化学与分子动力学模拟相结合[D]. 王兴勇.南京大学 2013
硕士论文
[1]基于分子动力学模拟的硬质合金刀具切削GH4169刀—屑界面扩散机理研究[D]. 兰鹤.长春工业大学 2019
[2]单晶及多晶钛内微裂纹扩展的分子动力学模拟[D]. 臧翔.长春理工大学 2019
[3]基于分子动力学模拟的MoS2纳米片和生物分子之间相互作用机制的研究[D]. 武荣荣.江苏大学 2019
[4]晶体缺陷对TiAl涂层阻尼性能影响的研究[D]. 张馨予.沈阳航空航天大学 2019
[5]基于分子动力学的多晶石墨烯力学性能研究[D]. 贺煜.西安建筑科技大学 2016
[6]石墨烯基底上超薄液膜的爆炸性沸腾研究[D]. 张海燕.西安电子科技大学 2015
[7]石墨烯纳机电谐振器初始张力的分子动力学研究[D]. 孟晓洁.西安电子科技大学 2015
[8]石墨烯热学特性的分子动力学模拟[D]. 唐恺.华中科技大学 2015
[9]基于分子动力学对含裂纹石墨烯的力学性能研究[D]. 刘秦龙.西安建筑科技大学 2015
[10]碳纳米管/三元乙丙橡胶复合材料导热系数分子动力学模拟[D]. 杨刚.青岛科技大学 2013
本文编号：3054243
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