碳納米管中冰-水相變的分子動力學模擬.pdf

1、隨著能源危機的到來,儲能材料和儲能技術得以迅速發(fā)展。而相變儲能材料是眾多儲能材料中應用較為廣泛的一種,其具有儲能密度大、輸出的能量與溫度比較穩(wěn)定等優(yōu)點,因此,對相變儲能材料的研究成為當今材料研究的焦點。而碳納米管中冰/水發(fā)生相變時能量具有突變,為其成為相變儲能材料提供了可能。為了較好地利用受限于碳納米管中的冰/水作為相變儲能材料,我們需要更多地了解其靜態(tài)結構性質以及動態(tài)性質等。本文是利用分子動力學方法,對(14,0)“zigzag”型碳

2、納米管中冰/水的相變進行模擬計算。計算結果通過原子密度分布函數(shù)、氫鍵方向分布函數(shù)以及均方位移等來分析受限于碳納米管中冰/水相變前后的變化以及溫度和壓強因素對這些冰/水的影響。
　　 本文對相變及相變原理的基礎理論做了論述,闡明了一些有關相變的定義、分類和相變過程的機理。同時,對分子動力學模擬進行了較全面的說明,如:力場的選取、長程作用力的計算、計算系統(tǒng)模型的簡化、常見的水分子力場、積分步長的選取、周期性邊界條件等。本文的模擬過程

3、包括三個方面:一是溫度設定為240K的等溫增大壓強過程,壓強值從500MPa到1GPa過程,其間隔為25MPa,從1GPa到11GPa過程,間隔值為1GPa:二是壓強值設定為200MPa的等壓降溫過程,溫度從300K下降,開始間隔值為10K,當降低到260K后,間隔值變?yōu)?K;三是壓強值設定為500MPa的等壓降溫過程,溫度變化情況如同上述二。模擬結果表明:等溫(240K)增壓過程,575MPa時水分子由四環(huán)相變成五環(huán)結構,繼續(xù)增大到超

4、高壓(5GPa)時開始出現(xiàn)中心水分子鏈;等壓(500MPa)降溫過程中,當降到255K時非晶水相變成晶體四分子水環(huán)結構,繼續(xù)降低溫度到220K時又相變?yōu)槲宸肿铀h(huán)結構。通過水分子的徑向密度分布函數(shù)和偶極矩方向分布函數(shù)都說明五分子水環(huán)結構比四分子水環(huán)結構更趨于有序。由水分子中原子的軸向密度分布函數(shù),可以考察水分子在軸向形成的層次數(shù)及大致計算管內水分子個數(shù),并可以區(qū)分等溫增壓過程還是等壓降溫過程(500MPa)形成的類似相變。碳納米管中水分