SiBCN先驅體轉化陶瓷的計算機模擬研究

羅義

摘 要：本文通過使用Materials Studio軟件進行分子動力學模擬，討論單源SiBCN先驅體制備的SiBCN陶瓷先驅體在通過改變壓力大小，記錄實驗過程中的溫度變化、能量變化、密度變化、結構的邊長與角度的數(shù)據(jù)進行分析。結合對相關文獻[1]的總結思考，本文對SiBCN先驅體轉化陶瓷的制備有具體研究與展望。

關鍵詞：SiBCN陶瓷；先驅體轉化法；分子動力學模擬

隨著時代的發(fā)展與進步，人們對于材料的性能要求更加強烈，特別是近些年熱門的Si基陶瓷，更加是人們關注的焦點。[2]為了更經(jīng)濟便捷的獲得高性能SiBCN陶瓷材料，人們通常選取單源先驅體通過發(fā)生一定的聚合反應而形成陶瓷先驅體，進而得到目標陶瓷產(chǎn)物。而且由單源先驅體合成目標先驅體，可以克服共聚時反應的繁雜而導致的不同分子取代的差異，容易得到空間均勻的目標先驅體，從而避免導致缺陷。對于SiBCN陶瓷來說，現(xiàn)在對于它的研究方面著重在如何使得產(chǎn)物的獲得更加快速簡便，這就需要更加深入的了解其性質。[3]通過對文獻的查閱，我們發(fā)現(xiàn)了幾種單源前驅體能夠達到所需的SiBCN陶瓷。[4]面對各種各樣的單源先驅體，在不同環(huán)境條件的影響因素會導致實驗的不確定性，這對于科研工作者來說是一件漫長的工作。而使用計算機分子模擬的方法可以很好的突破這種局限，而且可以設計新的合成方法，從而使得科研工作者可以從經(jīng)驗中轉化為定量的分析，這對于今后開展相關實驗有很強的參考意義。[5]

1 計算方法

1.1 模型構建

本文所采用的參與反應去除單源先驅體氯官能團的物質為甲胺，當選擇好了氨解反應物后，需要考慮對氯取代問題，我們既要考慮到合理性，也需要考慮到計算量。本文是為了探究最優(yōu)的單源先驅體，顯然取代越完全，能得到效果更好的目標陶瓷。因本文不討論得到的脫氯后的聚合反應，因此本文大膽的假設在最理想的狀態(tài)下，取代完全的情況下，對各單源先驅體進行對比研究討論。本文中研究的單源SiBCN先驅體的球棍模型式如圖1所示。

1.2 模擬方法

使用materials studio對上述結構進行幾何優(yōu)化。對單源SiBCN陶瓷先驅體的研究，我們選擇materials studio中的Forcite模塊進行研究。首先我們將單源SiBCN陶瓷先驅體的結構導入materials studio中，然后點擊modules，選擇Forcite中的Calculation，實驗的相關設置如圖2所示。

通過使用materials studio中的 Forcite進行幾何優(yōu)化后所得到的單源SiBCN陶瓷先驅體的球棍模型如下圖3所示：

SiBCN陶瓷先驅體的分子量一般都達到了百萬級別，而如果完整的對其進行分子模擬研究，將會產(chǎn)生大負荷工作量，而且計算時間也會相應的變得很長，而且如此巨大分子量的計算會導致計算機死機、奔潰，同樣的這種計算所得到的結果也存在很大的誤差。有研究表明，在計算模擬的過程中，建立的單胞來進行研究，所得到的的結果仍然能夠符合準確性與要求[6-9]。所以我們在materials studio建立具有周期性的SiBCN先驅體的單胞初始模型，并同樣的在Forcite模塊下進行稽核結構優(yōu)化，優(yōu)化后的模型如圖4所示。

得到了經(jīng)過幾何優(yōu)化的模型后，在一定壓力下進行分子動力學平衡實驗計算，記錄分析達到穩(wěn)定狀態(tài)時的壓力大小，為后續(xù)進一步研究提供依據(jù)。選擇Forcite模塊，取NPT系綜，在真空條件下，分別取0.01Gpa與0.02Gpa，在溫度為298K，模擬時間步長為1fs，總模擬步數(shù)為200ps。

2 結果與討論

2.1 0.01Gpa壓力下對SiBCN先驅體的分子動力學模擬分析

先在0.01Gpa的環(huán)境下進行分子動力學模擬實驗，先對體系進行一次NVT平衡，再在NPT體系下進行實驗，經(jīng)過一定時間的實驗后得到了溫度、能量、單胞密度、邊長與角度的變化曲線。

從圖中可以看到，體系溫度的波動范圍一般，在后期波動的幅度沒有前期大，說明體系在隨著分子動力學模擬的過程中，系統(tǒng)的溫度波動逐漸變小，體系的不穩(wěn)定性減弱。

從圖中可以看到，體系的總能量隨著實驗的進行時，明顯的在后段的波動幅度減小了，并且趨于穩(wěn)定，與圖5相匹配，體系的能量與溫度波動一致，同樣說明體系相對穩(wěn)定。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的密度隨著實驗的進行先有往密度增大的方向變化幅度更大，后有往密度減小的方向變化，密度的這種變化也體現(xiàn)著體系的單胞邊長的變化同樣符合這一趨勢。

2.2 0.02Gpa壓力下對對SiBCN先驅體的分子動力學模擬分析

其他參數(shù)依然保持不變，繼續(xù)使用Forcite模塊，改變壓力為0.02Gpa壓力下，對結構進行分子動力學模擬分析。仍然先對體系進行一次NVT平衡，再進行NPT體系下進行實驗，經(jīng)過一定時間的實驗后同樣得到了溫度、能量、單胞密度、邊長與角度的變化曲線。

從圖中可以看到，體系溫度的波動范圍也比較大，在后期波動的幅度也明顯變化，說明體系在隨著分子動力學模擬的過程中，系統(tǒng)的溫度處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖中可以看到，體系的總能量隨著實驗的進行時，明顯的在后段的波動幅度增大了，但前半段變化幅度比后一段小。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的密度隨著實驗的進行而變化幅度很大，且往密度減小方向變化趨勢明顯，而單胞的長度則相反。

3 結論與展望

3.1 結論

本文在學習掌握功能強大的分子動力學模擬軟件Materials studio的基礎上，結合對SiBCN的學習，從理論上建立了SiBCN陶瓷先驅體的單胞分子模型，運用分子動力學理論從分子水平的微觀角度進行了模擬研究，整理實驗所得到的結果與數(shù)據(jù)，初步得到如下結論：

（1）首先通過理論分析并結合實際，得到了理論上適合進行研究的SiBCN陶瓷先驅體的模型，加深了對SiBCN陶瓷先驅體的理論結構認識，并為今后的SiBCN陶瓷的研究提供了一定的理論依據(jù)。

（2）從單源先驅體出發(fā)來對合成的陶瓷先驅體進行理論構造，這樣得到的陶瓷先驅體能夠克服取代差異，減少缺陷。通過這兩點構造的陶瓷先驅體結構，在分子動力學模擬下能夠獲得影響因素更少的有效理論結果，對今后研究同樣有參考意義。

（3）實驗選用SiBCN先驅體進行分子動力學模擬實驗，通過分別在0.01Gpa，0.02Gpa的條件下進行模擬分析，通過改變壓力大小，能夠獲得在實驗過程中的溫度變化、能量變化、密度變化、結構的邊長與角度的數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)在0.01Gpa壓力下各項數(shù)據(jù)起點與終點對比變化很小，在0.02Gpa壓力下仍然看不到顯著變化，說明這種先驅體受到壓力的影響很小。

3.2 展望

本文通過使用Materials studio軟件建立起SiBCN陶瓷先驅體結構，并對其進行分子動力學模擬。在改變壓力的條件下對實驗結果進行了對比，為今后研究與開發(fā)新條件下的陶瓷先驅體提供了一定的理論參考依據(jù)。但本文還有很多方面值得深入研究，包括：

（1）還需通過實驗分析改變溫度，實驗時長等條件的變化下對SiBCN先驅體進行分子動力學模擬，并分析結果規(guī)律。

（2）還需分析討論當脫氯不完全的情況的SiBCN陶瓷先去體，并使用分子動力學模擬來分析結果。

參考文獻：

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