真空挥发冷凝制备超细铜粉的分子动力学模拟

发布时间：2020-11-09 18:47

　　 超细铜粉由于其优异的导电性能、低价易得、化学稳定性较好等特点,使之应用非常广泛,被称为21世纪材料。蒸发-冷凝法制备超细铜粉具有粒子纯净度高、粒度分布窄且粒径可控、粉体易收集、制备工序少和生产效率高等特点。蒸发-冷凝制备超细铜粉的实验研究表明：蒸发温度和真空度是制备超细铜粉的两个关键因素。为了改善真空蒸发-冷凝制备超细铜粉的工艺参数,本文采用分子动力学模拟方法对真空挥发冷凝制备超细铜粉进行了相关研究,并进行了实验验证。首先采用Materials Explorer6.0分子动力学软件包,模拟了真空条件下(10Pa),体系粒子数分别为72、108、256、500和864个铜原子体系在473-2073K温度范围内的变化过程。研究发现：真空条件下,随着体系内原子数的增加,体系的熔化温度不断升高；当体系的Cu原子数增加到500个以后,体系的熔化温度趋于稳定介于1357-1373K之间,这与Cu的实验测得的熔化温度1357K十分接近。从体系内能与温度之间的关系可知：体系处于标准大气压(1atm)下能量发生跃变的温度区间比真空下普遍偏高,即熔化温度升高。采用Material Studio程序包中CASTEP (Cambridge Sequential Total Energy Package)模块模拟了真空条件下(10Pa),铜原子在273-1573K温度范围内的变化情况。结果表明：体系在1273K-1373K温度区间发生了明显变化,从固相转变到了液相；由电子态密度可知,铜原子间的态密度由4s,4p和3d轨道电子提供,3d轨道的能量高于4s和4p轨道总和。所以铜原子间的杂化作用主要来自于其3d轨道的贡献。用Material Studio程序包中Forcite模块模拟了真空(10Pa)和100KPa条件下,温度为1473～2073K铜体系的变化情况。结果表明：过渡区厚度与温度大概呈线性关系,且随温度的升高而增加；相同温度下,真空条件下的过渡区厚度均大于常压条件；由不同压力下浓度随温度的变化趋势可知：当温度从1773K升温至1873K后,真空(10Pa)和100KPa下的z轴方向尺寸差距特别大,故在这一温度区间真空体系下发生了相变过程,即铜在真空条件下(10Pa)的沸点居于1773～1873K之间,这比常压下的沸点2833K低了约1000K。利用Material Studio程序包中Forcite模块模拟了真空(10Pa)条件下,温度为1473～2073K范围内的铜纳米液滴的变化情况。模拟结果表明：随着模拟温度的升高,进入气相的分子越来越多,由于流体各向同性,使液滴最终接近球形。当温度从1773K升温至1873K后,液滴的直径发生明显变小。这是因为体系在这一温度区间发生了从液相到气相的转变过程,此时会有大量蒸气分子从液滴溢出转变为气相分子,从而导致液滴变小。在真空度为10Pa,加热温度为1773～1873K,保温时间为60min,冷却水流量为150kg/h的条件下制备了超细铜粉。研究结果发现：制备的超细铜粉纯度达到了1号纯铜的国家标准,CuO、Cu2 O含量很少。超细铜粉结构主要为面心立方结构(fcc)。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TG146.11;TB383.3
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 文献综述
    1.1 超细铜粉的制备方法简介
        1.1.1 固相法制备超细铜粉研究进展综述
        1.1.2 液相法制备超细铜粉研究进展综述
        1.1.3 气相法制备超细铜粉研究进展综述
    1.2 关于铜的分子动力学模拟国内外研究现状
    1.3 选题意义和课题研究内容
        1.3.1 选题意义
        1.3.2 研究内容
    1.4 论文的特色与创新之处
第二章 理论基础
    2.1 分子动力学模拟的研究发展进程
    2.2 分子动力学原理
        2.2.1 分子动力学的基本原理和基本方程
        2.2.2 Hamilton运动方程的求解
        2.2.3 边界条件
        2.2.4 系综原理
    2.3 原子间的相互作用势
        2.3.1 对势
        2.3.2 多体势
        2.3.3 EAM理论
    2.4 控温与控压方法
        2.4.1 温度控制方法
        2.4.2 压力控制方法
    2.5 界面及界面现象
    2.6 静态结构性质
        2.6.1 均方位移及自扩散系数
        2.6.2 径向分布函数g（r）及配位数
        2.6.3 速度自相关函数
    2.7 本章小结
第三章 ME分子动力学模拟真空下铜的熔化过程
    3.1 模拟方法
    3.2 扩散性质的模拟
        3.2.1 均方位移（MSD）的计算
        3.2.2 自扩散系数的计算
        3.2.3 计算自扩散激活能及指前因子
    3.3 密度的计算
    3.4 径向分布函数的计算
        3.4.1 径向分布函数及配位数的计算
    3.5 不同温度下的原子位形
    3.6 热力学性质的模拟
        3.6.1 内能函数曲线
        3.6.2 体系内能与体积
    3.7 本章小结
第四章 采用从头算分子动力学模拟铜的熔化过程
    4.1 模拟过程
    4.2 径向分布函数及配位数
        4.2.1 径向分布函数（RDF）
        4.2.2 配位数（CN）
        4.2.3 静态结构因子
    4.3 分波态密度（PDOS）
    4.4 速度自相关函数（VACF）
    4.5 本章小结
第五章 铜的气-液界面微观特性的分子动力学模拟研究
    5.1 蒸发-冷凝过程的分子动力学模拟研究
        5.1.1 气-液界面特性分析
    5.2 控制条件和方法
        5.2.1 积分步长的选取
        5.2.2 截断半径的选取
    5.3 气液界面结构
        5.3.1 气-液界面密度分布
        5.3.2 气-液界面过渡区的温度分布
        5.3.3 气-液界面层的动能分布
        5.3.4 气-液界面层厚度随温度的变化
    5.4 不同压力下的浓度对比
    5.5 麦克斯韦速率分布曲线
    5.6 蒸发系数的计算
    5.7 降温过程模拟
        5.7.1 模拟体系的建立
        5.7.2 模拟结果与讨论
    5.8 本章小结
第六章 铜纳米液滴蒸发、冷凝过程的分子动力学模拟
    6.1 控制条件和模拟方法
    6.2 扩散性质的模拟
        6.2.1 均方位移的计算（MSD）
        6.2.2 自扩散系数的模拟计算
    6.3 径向分布函数
    6.4 液滴的大小随温度的变化
        6.4.1 800个铜原子液滴的位形
        6.4.2 14896个铜原子液滴的位形
    6.5 液滴的大小随时间的变化
    6.6 纳米液滴冷却、凝固过程的分子动力学模拟
        6.6.1 冷凝过程扩散性质的模拟
            6.6.1.1 均方位移的计算（MSD）
            6.6.1.2 自扩散系数的计算
    6.7 本章小结
第七章 真空蒸发-冷凝制备铜粉的实验研究
    7.1 实验基本原理及设备
        7.1.1 实验原理
        7.1.2 实验设备、原料
    7.2 实验步骤
    7.3 实验现象及过程
        7.3.1 铜烟和铜蒸发速率的变化规律
        7.3.2 超细铜粉的沉积过程及沉积状态
    7.4 实验结果和分析
        7.4.1 铜粉的颗粒形貌分析
        7.4.2 铜粉的化学成分分析
        7.4.3 超细铜粉的物相分析
    7.5 本章小结
第八章 结论与展望
    8.1 结论
    8.2 展望
致谢
参考文献
附录 攻读博士期间发表论文

【参考文献】

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本文编号：2876831