CN111986733B - 一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法，具体为：首先，建立预选纳米材料的分子动力学模型，模拟材料在NPT系统下的淬火；建立对应尺寸无水C‑S‑H模型；将预选纳米材料的分子动力学模型与模型组合；之后采用非平衡反向分子动力学方法对复合材料模型进行分析；计算预选纳米材料在C‑S‑H衬底下的导热系数及导热系数的变化程度；对比每种参数对应的纳米材料用于增强水泥材料导热性能的效率；再进行准确性验证；最后确定最适合的水泥导热性能增强相。将纳米增强相材料嵌入在C‑S‑H中，研究衬底影响下纳米增强材料导热系数的变化情况，分析材料间的结合方式，从而可以快速预选适用于工程的水泥导热性能增强相材料。

Description

一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法。
背景技术
目前，关于大体积混凝土的热开裂控制是工程领域面临的重要问题，其核心是材料性能的提升。大体积混凝土由水泥砂浆和骨料组合而成。水泥是大体积混凝土中的主要胶凝材料，其水化过程中的水化热也是结构内部热量的来源。骨料在混凝土中主要起骨架作用并减少由于胶凝材料在凝结硬化过程中因干缩湿胀所引起的体积变化，同时还可作为胶凝材料的廉价填充物。
对于大体积混凝土温度裂缝的抑制，在于两个关键点。一，存在温差时，热量从内部散出速度快，避免水化热的大量蓄积。二，温度应力出现时，材料在拉应力的作用下力学性能良好，不容易开裂。解决这两个关键问题的核心在于水泥材料的性能优化。水泥作为混凝土结构内部热量导出的直接介质，其导热性能直接影响了结构内表温差。
材料导热性能的提升主要通过两种途径，一是高导热材料的添加，掺入的高导热材料与水泥材料导热性能差异越大，导热性能的提升效果越显著，二是在微孔隙内的填充作用，填充的固体材料可以增强水泥材料微结构的内部连通性(空气热导率极低)，提升热量的传递效率。
纳米材料多具有较强的导热性能，且能够起到纳米尺度的填充作用。近年来，纳米增强水泥复合材料在水利、建筑工程中得到了广泛的应用。特别是碳系纳米材料一直是研究者关注的热点。碳系纳米材料包括石墨烯、氧化石墨烯，碳纳米管等石墨烯衍生物，其结构致密、比表面积大、高强度等出色的特性对水泥材料的性能提升起到了极大的促进作用。石墨烯具有诸多突出的物理力学性质，如超高的导热系数(～5300W/mK)、断裂强度(～42N/m)和杨氏模量(～1TPa)等。其它碳系纳米材料除可能具有和石墨烯相似的性质之外，因其自身结构的特点还具有诸多独特的性质。如氧化石墨烯表面和边缘具有大量含氧官能团，能够通过官能团的浓度与反应调节自身性质，作为石墨烯的中间产物，它的制造成本也远低于石墨烯。碳纳米管抗拉强度达到50～200Gpa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6。随着制造条件和技术的飞速发展，纳米材料的制造成本也在日趋降低，纳米材料改性水泥在工程中的应用也会更加普遍。
材料在应用中温度升高，需要快速散热，以避免过热导致的材料老化，力学性能降低或开裂。固体材料主要的热传递方式为热传导。寻找或设计具有优异性能的导热材料对工程的安全可靠运行至关重要。一些纳米材料出色的导热性能吸引了广大研究者的兴趣。环氧树脂基体导热系数0.2W/mK，加入石墨烯后得到的复合材料导热系数为3～6W/mK。美国加州研究团队通过将石墨烯片嵌入环氧树脂，得到的复合材料导热系数可达6.44W/mK。对于聚乙酸乙烯，其自身导热系数约为0.2W/mK，通过加入20wt％的碳纳米管后，聚乙酸乙烯纳米复合材料的导热系数提高到0.34W/mK。
实际中，纳米材料种类非常多，同一材料的纳米构型又有许多种，再加上考虑不同的尺寸效应，缺陷，官能团浓度等影响，将其掺入水泥材料进行试验，周期长，工作量巨大，而且会面临试验环境变化带来的各种不可控因素。加之水泥材料因为龄期的不同，水化产物，含水量也可能有所不同。在这样的情况下，筛选出有效的水泥导热增强相是很困难的。目前，主要针对导热性能强的部分纳米材料，如石墨烯，氧化石墨烯，进行水泥复合材料的试验。其筛选效率较低，难于找到最适用的增强相。甚至很有可能在一系列的研究之后得到不适合用于导热性能增强的结论，造成时间和经济成本的浪费。另一方面，石墨烯基纳米材料的导热性能会受到衬底的影响，自身导热性能会降低。一旦掺入水泥中，增强相的导热性能降低，会削弱其高导热性能对复合材料导热性能的提升幅度，降低热导率提升效率。如，选择较为昂贵的高热导率a材料，若掺入水泥后，a材料的热导率在水泥衬底的作用下降低，其热导率与常规纳米材料b相当，但b材料的成本远小于a材料，选择a材料则会造成浪费。通过试验仅能对a，b材料掺入后的复合材料导热性能进行测试比较，但试验精度和效率会限制整个研发过程。随着材料技术的不断发展，各种新型纳米材料也在不断研发生产，通过传统的方式需要对每一种材料进行一系列研究，很难及时将工程材料技术与新型材料研究结合，大大限制了土木工程材料的发展速度。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法，可以快速预选适用于工程的水泥导热性能增强相材料。
本发明所采用的技术方案是，一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，若纳米材料不含有官能团则直接建立预选纳米材料的分子动力学模型用于计算；反之建立预选纳米材料的分子动力学模型，用ReaxFF反应力场模拟材料在NPT系统下淬火；
步骤2，根据步骤1中的分子动力学模型，建立对应尺寸C-S-H模型；
步骤3，将预选纳米材料的分子动力学模型与无水C-S-H模型组合，即分别在x、y和z轴上展开单元，然后将预选纳米材料片嵌入C-S-H中；得到不同参数下的复合材料分析模型；
步骤4，采用非平衡反向分子动力学方法对复合材料模型进行热传导分析；
步骤5，计算预选纳米材料在C-S-H衬底下的导热系数；
步骤6，计算各个模型下对应纳米材料导热系数的变化；
步骤7，对比每种参数对应的纳米材料用于增强水泥材料导热性能的效率，数值从大到小排序；
步骤8，对步骤7得到的分析结果进行准确性验证及分析；
步骤9，确定最适合的水泥导热性能增强相。
本发明的特点还在于，
步骤1中，淬火过程为：首先，NPT系统在300K温度下弛豫2ps，之后由300K升高到500K温度，升温过程历时2ps且温度随时间线性升高，并在500K温度下弛豫2ps，之后再由500K降低到300K温度，降温过程历时2ps且温度随时间线性降低，最后在300K温度下弛豫2ps；淬火的整个过程中，删除逃离纳米材料基面的羟基以及环氧官能团。
步骤2中，具体为：
步骤2.1，根据由C-S-H模型建立无水C-S-H模型，并建立无水C-S-H模型的初始晶胞；
步骤2.2，随机删除无水C-S-H模型的硅链，以符合Q0＝11.6％，Q0＝65.1％，Q2＝23.3％的Qn分布；
步骤2.3，用巨正则蒙特卡罗方法将密度为1g/cm3的水分子吸附到无水C-S-H模型中。
步骤4中，具体为：
利用反向非平衡分子动力学模拟热传导，在300K下，系统在300K的正则系综中弛豫0.1ns以达到平衡，将模型沿热流方向平均划分100份，热源位于模型两端，冷源位于模型中间，通过在热源和冷源之间交换原子的动能，即不断将热源中最热的原子和冷源中最冷的原子的动能进行交换，使体系内产生温度梯度，根据热力学第二定律，该模型的内能由热源向冷源连续传递，时间步长0.25fs，每1000步交换一次，持续2.5ns，产生热流的公式如式(1)所示；
其中，Ntranfers为交换的总数，m是原子质量，vh和vc分别为最热原子和最冷原子的速度，ttranfers是传热的时间；
各个部分的质心温度通过式(2)计算；
其中，Ti表示第i层中所有原子的温度，N是第i-份中的原子数，kB是玻尔兹曼常数，pj和mj分别表示j原子的动量和质量。
步骤5中，分别用反向非平衡分子动力学方法计算不同长度模型的导热系数并进行线性拟合，结合Boltzmann方程以及Matthiessen准则，预测无限大尺寸下纳米材料的导热系数，根据公式(4)计算C-S-H沿不同晶向的导热系数；
其中，κ-1为样品长度为L nm时的导热系数，l为声子的平均自由程。
步骤6中，在无水泥衬底下纳米材料的导热系数为κ0，则定义有无衬底情况下，纳米增强相材料的导热系数变化率如式(5)所示；
步骤8中，具体为：根据Boltzmann方程，每个声子模的导热系数如式(6)所示；
κj＝Cjvj 2τj (6)；
其中，Cj，vj和τj分别是每种声子模的比热、声子群速度和声子弛豫时间；
通过对比实验测量和数值计算值验证模型、力场和计算方法用来判断C-S-H的导热系数的准确性；
声子态密度根据每个原子轨道的速度自相关函数的Fourier变换计算如式(7)所示；
P(ω)指每个频率下振动的能量，ω为振动频率，vj(t)表示时间t时原子j的速度，tmax为采样时间；
纳米增强相材料和水泥的界面结合能总体变化通过下式计算，如式(8)所示；
UBind＝-(UTotal-UGBN-UC-S-H) (8)；
式中，UTotal为整个系统的总势能，UGBN和UC-S-H分别为单独纳米材料和C-S-H的势能。
本发明的有益效果是，
本发明方法考虑不同纳米增强相材料和尺寸效应对导热系数的影响。采用分子动力学方法，构建分子模型，研究水泥中的C-S-H基体在不同晶向的导热系数，以及纳米增强相材料的热输运特征。将纳米增强相材料嵌入在C-S-H中，研究衬底影响下纳米增强材料导热系数的变化情况，分析材料间的结合方式，探寻C-S-H衬底对纳米增强相材料导热性能的影响规律，从而可以快速预选适用于工程的水泥导热性能增强相材料。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，若纳米材料不含有官能团则直接建立预选纳米材料的分子动力学模型用于计算；反之建立预选纳米材料的分子动力学模型，用ReaxFF反应力场模拟材料在NPT系统下淬火；
分子动力学模型的建立主要采用但不限于Materials Studio软件。该纳米材料是平放在C-S-H衬底上的，考虑不同的模型尺寸和材料的氧化模型，即预选纳米材料中含有不同的官能团种类，比例，位置及缺陷的存在，以及各种情况耦合作用下的模型。用ReaxFF反应力场模拟材料在NPT系统下的淬火，提高计算精度。
淬火过程为：首先，NPT系统在300K温度下弛豫2ps，之后由300K升高到500K温度，升温过程历时2ps且温度随时间线性升高，并在500K温度下弛豫2ps，之后再由500K降低到300K温度，降温过程历时2ps且温度随时间线性降低，最后在300K温度下弛豫2ps。淬火的整个过程中，删除逃离纳米材料基面的羟基以及环氧官能团。最终模型中的氧碳比即为淬火后该纳米材料的含氧量；
步骤2，根据步骤1中的分子动力学模型，建立对应尺寸无水C-S-H模型；
C-S-H模型是根据Pellenq和Lin的结果建立的；具体为：
步骤2.1，根据由C-S-H模型建立无水C-S-H模型，并建立无水C-S-H模型的初始晶胞；
步骤2.2，随机删除无水C-S-H模型的硅链，以符合Q0＝11.6％，Q0＝65.1％，Q2＝23.3％的Qn分布；
C-S-H的四面体配位用Qn因子表示，表示与n个桥接氧键合的硅原子的化学分数变化。Q0代表单个四面体(硅酸盐单体)的分数，Q1是链末端的四面体分数(硅酸盐二聚体将具有两个Q1)，Q2是链中部的四面体分数(硅酸盐)五聚体将具有三个Q2)。无水C-S-H模型中，Ca-Si(Ca/Si)比值约为1.67，该比例与试验数据接近；
步骤2.3，用巨正则蒙特卡罗(GCMC)方法将密度为1g/cm3的水分子吸附到无水C-S-H模型中；
步骤3，将预选纳米材料的分子动力学模型与无水C-S-H模型组合，得到不同参数下的复合材料分析模型；复合材料分析模型的长度和宽度分别与热流方向平行和垂直；
具体为：分别在x、y和z轴上展开单元，然后将预选纳米材料片嵌入C-S-H中；
步骤4，采用非平衡反向分子动力学方法对复合材料模型进行热传导分析；
具体为：使用并行代码LAMMPS中的ReaxFF包进行MD模拟。采用ReaxFF力场计算Ca、Si、O、H和C原子之间的相互作用。基于共轭梯度(CG)算法进行原子模拟的几何优化，收敛准则为0.0001kcal/mol。系统在等温等压系综(在300K和1atm下，使用Nosé-Hoover恒压器和恒温器)下松弛，达到平衡状态，积分时间步长为0.25fs。
利用反向非平衡分子动力学(RNEMD)模拟热传导。在300k下，系统在300K的正则系综(NVT)中弛豫0.1ns以达到平衡。将模型沿热流方向平均划分100份。热源位于模型两端，冷源位于模型中间。通过在热源和冷源之间交换原子的动能，即交换热源中最热的原子(动能最高的原子)和冷源中最冷的原子(动能最小的原子)的动能，将产生温度梯度。根据热力学第二定律，该模型的内能由热源向冷源连续传递，每1000步交换2.5ns。产生热流的原理如式(1)所示。
其中，Ntranfers为交换的总数，m是原子质量，vh和vc分别为最热原子和最冷原子的速度，ttranfers是传热的时间。各个部分的质心温度通过式(2)计算。
其中，Ti表示第i层中所有原子的温度，N是第i-份中的原子数，kB是玻尔兹曼常数，pj和mj分别表示j原子的动量和质量。
步骤5，计算预选纳米材料在C-S-H衬底下的导热系数；系统的温度曲线通过平均每份纳米材料在整个时间内的温度来计算。导热系数计算公式如式(3)所示；
其中，κ为导热系数，J为热流量，A表示垂直于热流传递方向的横截面积，表示温度梯度，即dT/dx。
根据纳米材料单独存在和嵌入C-S-H的特点，分别以无氧化、及纳米材料氧化浓度为1％、2％、5％、10％和20％等不同情况，在有无C-S-H衬底情况下建立相应分子模型。分别用反向非平衡分子动力学方法计算不同长度模型的导热系数并进行线性拟合，结合Boltzmann方程以及Matthiessen准则，预测无限大尺寸下纳米材料的导热系数。无限系统的导热系数如式(4)所示；
其中，κ-1为样品长度为L nm时的导热系数，l为声子的平均自由程。
根据公式(4)计算C-S-H沿不同晶向的导热系数，分析C-S-H本身的结构特点对应的热性能。通过对应的平均声子自由程可以分析C-S-H的导热系数在不同晶向的特点。
步骤6，计算各个模型下对应纳米材料导热系数的变化程度，若无水泥衬底下纳米材料的导热系数为κ0，则定义有无衬底情况下，纳米增强相材料的导热系数变化率如式(5)所示；
步骤7，根据公式5的计算结果，对比每种参数对应的纳米材料用于增强水泥材料导热性能的效率，数值从大到小排序；Rκ大于1则说明衬底的存在会提高增强相的导热性能。实际上，衬底的作用下，纳米材料的导热性能会有所降低。以石墨烯材料为例，其突出的导热性能在硅衬底的作用下会被削弱。所以，更可能的出现情况是Rκ小于1。但是显然，Rκ越大，说明该纳米材料用于增强水泥材料导热性能的效率越高。
步骤8，对步骤7得到的分析结果进行准确性验证及机理分析，验证方法的合理性；讨论了基体、C-S-H和新型纳米材料片填料间界面的键合方式。流矢量分布和声子态密度的变化出发，结合Boltzmann输运方程，从热机制上分析产生上述现象的原因。根据Boltzmann方程，每个声子模的导热系数如式(6)所示；
κj＝Cjvj 2τj (6)；
其中，Cj，vj和τj分别是每种声子模的比热、声子群速度和声子弛豫时间。通过对比实验测量和数值计算值验证模型、力场和计算方法用来判断C-S-H的导热系数的准确性。
导热性能变化的通过声子态密度和结合能来分析。声子态密度根据每个原子轨道的速度自相关函数(VACF)的Fourier变换计算如式(7)所示；
P(ω)指每个频率下振动的能量，ω为振动频率，vj(t)表示时间t时原子j的速度，tmax为采样时间。声子谱分析可以为评价声子在系统中所携带的功率提供了一种定量的方法，虽然与界面热导属于两种不同的物理性质，但根据扩散失配模型，不同材料的声子态密度的匹配程度可以表征界面间传热效率的相对大小。
随着氧化程度的增加，纳米增强相材料和水泥的界面结合能总体变化可以通过下式计算，如式(8)所示；
UBind＝-(UTotal-UGBN-UC-S-H) (8)；
式中UTotal为整个系统的总势能，UGBN和UC-S-H分别为单独纳米材料和C-S-H的势能。C-S-H衬底对纳米增强相材料传热性能的影响机理可以通过热流的空间分布分析。通过模拟得到原子热通量，反映C-S-H衬底对热流的影响。
步骤9，确定最适合的水泥导热性能增强相，得到结论。

Claims (3)

1.一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，若纳米材料不含有官能团则直接建立预选纳米材料的分子动力学模型；反之建立预选纳米材料的分子动力学模型，用ReaxFF反应力场模拟材料在NPT系统下的淬火；
步骤2，根据步骤1中的分子动力学模型，建立对应尺寸无水C-S-H模型；具体为：
步骤2.1，根据由C-S-H模型建立无水C-S-H模型，并建立无水C-S-H模型的初始单元；
步骤2.2，随机删除无水C-S-H模型的硅链，以符合Q0＝11.6％，Q0＝65.1％，Q2＝23.3％的Qn分布；无水C-S-H模型中，Ca-Si比值为1.67；
步骤2.3，用巨正则蒙特卡罗方法将密度为1g/cm3的水分子吸附到无水C-S-H模型中；
步骤3，将预选纳米材料的分子动力学模型与无水C-S-H模型组合，即分别在x、y和z轴上展开单元，然后将预选纳米材料片嵌入C-S-H中；得到不同参数下的复合材料分析模型；
步骤4，采用非平衡反向分子动力学方法对复合材料模型进行热传导分析；具体为：
利用反向非平衡分子动力学模拟热传导，在300k下，系统在300K的正则系综中弛豫0.1ns以达到平衡，将模型沿热流方向平均划分100份，热源位于模型两端，冷源位于模型中间，通过在热源和冷源之间交换原子的动能，即热源中最热的原子和冷源中最冷的原子，将产生温度梯度，根据热力学第二定律，该模型的内能由热源向冷源连续传递，每1000步交换一次，整个进程耗时2.5ns，产生热流的公式如式(1)所示；
其中，Ntranfers为交换的总数，m是原子质量，vh和vc分别为最热原子和最冷原子的速度，ttranfers是传热的时间；
各个部分的质心温度通过式(2)计算；
其中，Ti表示第i层中所有原子的温度，N是第i-份中的原子数，kB是玻尔兹曼常数，pj和mj分别表示j原子的动量和质量；
步骤5，计算预选纳米材料在C-S-H衬底下的导热系数；
分别用反向非平衡分子动力学方法计算不同长度模型的导热系数并进行线性拟合，结合Boltzmann方程以及Matthiessen准则，预测无限大尺寸下纳米材料的导热系数，根据公式(4)计算C-S-H沿不同晶向的导热系数；
其中，κ-1为样品长度为L nm时的导热系数，l为声子的平均自由程；
步骤6，计算各个模型下对应纳米材料导热系数的变化；
步骤7，对比每种参数对应的纳米材料用于增强水泥材料导热性能的效率，数值从大到小排序；
步骤8，对步骤7得到的分析结果进行准确性验证及分析；
具体为：根据Boltzmann方程，每个声子模的导热系数如式(6)所示；
其中，Cj，vj和τj分别是每种声子模的比热、声子群速度和声子弛豫时间；
通过对比实验测量和数值计算值验证模型、力场和计算方法用来判断C-S-H的导热系数的准确性；
声子态密度根据每个原子轨道的速度自相关函数的Fourier变换计算如式(7)所示；
P(ω)指每个频率下振动的能量，ω为振动频率，vj(t)表示时间t时原子j的速度，tmax为采样时间；
纳米增强相材料和水泥的界面结合能总体变化通过下式计算，如式(8)所示；
UBind＝-(UTotal-UGBN-UC-S-H) (8)；
式中，UTotal为整个系统的总势能，UGBN和UC-S-H分别为单独纳米材料和C-S-H的势能；
步骤9，确定最适合的水泥导热性能增强相。
2.根据权利要求1所述的一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法，其特征在于，所述步骤1中，淬火过程为：首先，NPT系统在300K温度下弛豫2ps，之后由300K升高到500K温度，升温过程历时2ps且温度随时间线性升高，并在500K温度下弛豫2ps，之后再由500K降低到300K温度，降温过程历时2ps且温度随时间线性降低，最后在300K温度下弛豫2ps；淬火的整个过程中，删除逃离纳米材料基面的羟基以及环氧官能团。
3.根据权利要求1所述的一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法，其特征在于，所述步骤6中，在无水泥衬底下纳米材料的导热系数为κ0，则定义有无衬底情况下，纳米增强相材料的导热系数变化率如式(5)所示；
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DE102015007004A1 (de) * 2014-11-10 2016-05-12 Peter Niedner Werkstoff mit hoher Druckfestigkeit, hoher Schwingungsdämpfung und hoher Nachhaltigkeit, insbesondere für den Straßenbau und Verfahren für dessen Herstellung
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应力对石墨烯热输运性质影响的分子动力学模拟;兰生;高新昀;李焜;原永滨;;原子与分子物理学报(第05期);全文 *

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