黏土矿物微观结构及其弹性性质的第一性原理研究

发布时间：2017-12-11 07:24

  本文关键词：黏土矿物微观结构及其弹性性质的第一性原理研究

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【摘要】：黏土矿物作为页岩的主要矿物成分,其弹性性质和力学行为与页岩气的探测开发关系密切。此外,黏土矿物在纳米复合材料方面的重要地位也使黏土矿物的微观力学性质受到了广泛关注。黏土矿物的性质是由其独特的结构所决定,准确获得黏土矿物的结构信息,分析结构特征和力学性质之间的关系对于解决黏土矿物应用领域的相关力学问题具有重要意义。黏土矿物极细的粒度以及成分结构的复杂性使实验方法确定其微观结构和力学性质相当困难,而理论计算的蓬勃发展为该课题的研究提供了有效途径。在众多理论计算方法中,密度泛函理论(DFT)具有较高的精度和极好的可靠性,已经成为应用广泛的计算方法。但由于方法本身的限制,DFT无法准确描述黏土矿物层间的非键作用,而DFT中引入色散校正算法能够很好的解决这一问题。本文运用基于色散校正密度泛函理论(DFT-D2)的第一性原理方法,对典型黏土矿物高岭石、叶腊石和蒙脱石的微观结构、弹性性质及其相关性进行了系统研究。得到的主要研究结论为:1.应用基于DFT-D2的第一性原理方法研究了高岭石和叶腊石的晶体结构和电子性质,分析了黏土矿物结构层构造和层间联结方式对晶体结构的影响。为保证方法的精确度,将计算得到的晶格常数与实验数据和标准DFT方法的计算结果进行了比较。结果表明,DFT-D2方法能够明显改善晶格常数的预测值,提高了与实验数据的符合程度;高岭石和叶腊石的结构层构造和层间联结方式对两类矿物的硅氧键长和键角、八面体非共棱键角以及羟基方向具有一定的影响,且高岭石层间氢键的存在不但使层间距明显小于叶腊石,而且抑制了四面体层的畸变。此外,结构特征的差异也影响了两类矿物的电子性质,高岭石带隙宽度小于叶腊石,且四面体顶氧所带负电荷也较叶腊石略少。2.针对蒙脱石两种典型的类质同像置换方式(八面体al3+/mg2+置换和四面体si4+/al3+置换),分析了不同抗衡离子插入层间时蒙脱石晶体结构特征和电子性质的变化。结果表明,类质同像置换分布方式对晶格常数的影响较小,并且置换离子越分散,结构的能量稳定性越高;置换方式对层间距、抗衡离子位置、电荷分布以及带隙宽度均有一定的影响。两种置换方式下,层间抗衡离子的大小是影响蒙脱石晶体结构的重要因素,抗衡离子半径增大,不仅使层间距以二次函数形式增加,也使晶格角??、?以及晶层厚度(四面体层厚度和八面体层厚度)有所改变,而且能够减小蒙脱石四面体层的畸变程度。各类抗衡离子均位于靠近置换位置的一个底氧复三方环中,且半径越大,抗衡离子越靠近层间域中部。3.基于dft-d2的第一性原理方法研究了高岭石和叶腊石的弹性性质以及0~20gpa静水压力下结构和弹性性质的变化。计算结果显示,两类矿物结构的差异使高岭石的平行于晶面的刚度略小于叶腊石,但垂直晶面方向的刚度明显大于叶腊石。叶腊石具有较强的抵抗体积变化能力,而高岭石的抗畸变能力更强。加压过程中两类矿物体积以二次函数形式变化且压缩程度接近,但高岭石四面体畸变程度明显大于叶腊石;压力增加使两类矿物的弹性常数有所增大且沿堆垛方向的变化较为明显。在加压后期(10~20gpa),两类矿物多晶体平均弹性性质有相似的变化规律,但压力相同时叶腊石的弹性模量和波速均大于高岭石。4.对两类类质同像置换方式下含不同抗衡离子蒙脱石的弹性性质进行了比较研究。结果表明,抗衡离子的插入加强了蒙脱石晶面内和垂直晶面方向变形的关联性,而且中等尺寸抗衡离子能够提高蒙脱石平行于晶面的刚度以及晶面内变形的耦合程度。针对同类抗衡离子,八面体置换模型的弹性常数C11、C22、C33、C12及杨氏模量均大于四面体置换模型,而C55、C13和C23却较四面体模型略小。多晶体平均弹性性质的计算结果显示具有小半径抗衡离子的蒙脱石具有较大的弹性模量和波速。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O469
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本文编号：1277583