基于自建力场的离子液体机械性能研究

发布时间：2016-12-02 15:15

  本文关键词：基于自建力场的离子液体机械性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2015年

基于自建力场的离子液体机械性能研究

陈思言  

【摘要】：本课题为国家自然科学基金项目“微纳流道内聚合物刷与流体相互作用的多尺度模拟和实验研究（51175223）”的一部分内容。作为一种具有独特理化特性的有机盐类，离子液体引起了科研界与工业界的持续关注。鉴于计算机模拟研究的需要，我们开发了一款基于自建全原子力场框架的全自动力场开发器。在实践中，这种基于量子力学计算的新型全原子力场取得了良好的计算效果。借助自建力场的帮助，我们采用分子动力学方法，对几个在工业应用中具有代表的离子液体体系进行了计算机模拟。基于模拟结果，我们对这些体系的流体结构和以粘度为代表的流动性质进行了系统研究。我们发现，环境因素（温度、压力）与流体主观因素（分子结构与内含杂质）对上述机械性能存在影响。进而，我们对造成这些现象的力学机制进行了探讨。由于离子液体高度的可设计性与相对较低的成本，离子液体在工业中正扮演着越来越重要的角色。鉴于离子液体在超润滑、活性电极材料和机械操作流体等方面取得的成就，我们有理由相信，离子液体在机械领域的应用必会日渐繁荣。因此，我们的研究具有较大的应用价值与重要的科学意义。 具体而言，本文主要包括以下三个研究内容： 1、在系统探讨了主流分子力场的优缺点之后，我们改进了现有力场的框架，开发出一种全自动的力场开发器。通过引入1-n作用、动态相角和计算电荷，我们大幅提高了分子力场的精度，使分子力学与量子力学的计算结果高度吻合。通过优化力场开发流程、引入全新的构象微扰方式，我们的力场开发器可以忽略分子结构，为给定分子提供高精度力场，成为我们后续工作的有力保障。 2、为了模拟离子液体在染料敏化太阳能电池中的情况，基于自建力场，我们研究了烷基咪唑—六氟磷酸根离子液体与石墨烯的相互作用，发现了此类离子液体—纳米碳材料复合物的流体结构特点。通过研究，，我们发现，石墨烯板的间距和环境温度对这类体系的流体结构存在影响。其中，石墨烯板间距的影响是决定性的。此外，我们还发现，离子液体—纳米碳材料复合物的形成是一种自组装过程。而这种行为的触发，并非是由于业界普遍认为的π π作用。 3、为了模拟离子液体在机械润滑中的情况，基于自建力场，我们研究了烷基咪唑—六氟磷酸根类离子液体在不同环境下的流体结构和流动性能。在研究中，我们发现，离子液体的流体结构受环境因素的影响较小。与之相反，对离子液体而言，温度与压力可以对以粘度为代表的流动性能造成显著影响，其良好的温粘性使其成为机械润滑剂的理想选择。此外，我们还发现，阳离子烷基链的长度也会对离子液体的流动性能产生影响。 相应的，本文的创新点如下： 1、完成从量子力学计算开始的、具有良好自洽性的完整全原子力场的开发，并借助fortran和shell脚本语言，自主开发了一款可全自动运行的、特异性分子力场生成器。 2、对业界成功应用近20年的分子力场框架进行修正，通过引入1-n相互作用，证明原有通用性全原子力场的适用性小于业界的普遍观点，指出其许多运算误差实际上是源于力场框架的缺陷而非力场参数本身的粗糙。 3、将这一自建的特异性全原子力场应用到离子液体的研究之中，对离子液体与石墨烯相互作用、纯净离子液体相互作用进行模拟，发现了离子液体流体结构关于石墨烯间距的依赖性和离子液体流动性能对温度、压力及分子结构的依赖性。 这些研究都为离子液体在机械领域的进一步应用给出指导性建议。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O561
【目录】：

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本文编号：202092