CN113035283B - 基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法，包括：在多层富勒烯模型上添加夹板，选取能够反映多层富勒烯碳原子之间相互作用力的势函数，设定系统弛豫与分子建模软件中分子动力学模拟的参数，通过分子动力学模拟软件计算计算多层富勒烯内每个原子的viral应力并求和，通过所有原子的viral应力和除以多层富勒烯体积计算压缩应力，并输出挤压多层富勒烯模型模拟的坐标文件，导入可视化软件进行可视化分析，并通过切面分析得到结构内部的信息。本发明能够采用分子动力学模拟出多层富勒烯受挤压过程中的微观结构变化和应力结果，并可视化观察结构破坏的过程。

Description

基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法
技术领域
本发明属于锂离子电池多层富勒烯电极材料领域，具体为一种基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法。
背景技术
目前有大量的文献，研究如何采用不同的合成方法合成出不同排列的多层洋葱状富勒烯阵列，探究多层富勒烯电极电池的容量、充电速率等问题，然而这些大都是实验性的研究。在微观尺度利用分子动力学对多层富勒烯进行仿真研究的研究较少，锂离子在多层富勒烯电极扩散中多层富勒烯产生的扩散诱导应力对多层富勒烯结构的影响有着相当的重要性。
常用的lammps模拟压缩方法，使用fix derom命令按照指定应变流程在每一个时间步内先进行模拟盒子尺寸的拉伸，然后将拉伸位移平均到每一个原子上，然后在该时间步内系统会自动弛豫。该方法带来的问题是：这样的压缩忽略了泊松效应，在x方向压缩，其y方向不会发生形变。
另一种常用的lammps模拟压缩方法是使用fix setforce直接施加力在对象上，然而使用该方法挤压多层富勒烯容易产生两个问题：1、该命令只能添加到多层富勒烯里的单个原子上，容易产生结构破坏；2、如果通过施加在其他结构间接作用在多层富勒烯表面，会导致产生的形变过程不可控。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法，具体步骤为：
读取多层富勒烯数据，计算多层富勒烯内每个原子位置，根据多层富勒烯边界尺划定两个区域；
利用晶格命令在划定的区域内填充碳原子形成石墨烯；
选取能够描述多层富勒烯碳碳体系中碳原子间相互作用力的势函数；
设定系统弛豫与分子动力学模拟的参数；
对石墨烯施加约束，使石墨烯成为不可变形的刚体作为夹板；
建立循环，在每一次循环过程中使石墨烯夹板指定距离，通过石墨烯夹板挤压多层富勒烯，计算应力输出结果，直到达到设定的循环此处，每次循环输出模型坐标文件和应力信息；
将模型坐标文件导入可视化软件Ovito进行挤压过程的可视化，并通过切面分析挤压过程中结构内部微观结构变化，将应力信息导入Origin进行数据可视化。
优选地，计算多层富勒烯每个原子的位置，得到多层富勒烯所有原子在空间内三个方向的最大最小值Xmax、Xmin、Ymax、Ymin 、Zmax、Zmin；
划定的两个区域的边界为：
X方向均为：(Xmax+Xmin)/2±(Xmax-Xmin)，Y方向均为： (Ymax+Ymin)/2±(Ymax-Ymin)，Z方向，上部分区域：
Figure BDA0002894937030000021
下部分区域：
Figure BDA0002894937030000022
式中，
Figure BDA0002894937030000023
为尺寸单位埃。
优选地，在划定的区域利用晶格命令建立晶格并填充碳原子形成石墨烯，其中，晶格设置为：晶格常数
Figure BDA0002894937030000024
基矢a1(4.263，0，0)，a2(0，2.461，0)，a3(0，0，1.5)，基本原子位置为basis1(0，0，0)，basis2(0.333，0，0)，basis3(0.5，0.5，0)，basis4(0833， 0.5，0)。
优选地，所述势函数为AIREBO势函数，所述AIREBO势函数包括具有描述长程相互作用力的Lennard-Jones势函数与描述碳碳键合作用力的REBO的势函数。
优选地，所述势函数能量公式为：
Figure BDA0002894937030000025
Figure BDA0002894937030000026
式中，
Figure BDA0002894937030000029
为排斥项，
Figure BDA0002894937030000028
为吸引项，bij是键序项，Dij为势能阱的深度，σij是两原子之间互相作用的势能正好为零时的距离，rij是原子i和原子j之间的距离。
优选地，设定的系统弛豫与分子动力学模拟的参数包括等温等压系综控温条件、能量最小化、邻域列表。
优选地，对石墨烯施加约束，使石墨烯成为不可变形的刚体作为夹板的具体方法为：使用fix rigid和fix move命令使石墨烯成为仅可上下移动不发生翻转的刚体夹板。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明能够更好的模拟多层富勒烯单项压缩时横向形变；
(2)本发明能够可控、稳定的影响多层富勒烯形变。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程图。
图2为本发明一典型实施案例中五层的多层富勒烯初始结构图。
图3为本发明一典型实施案例中添加石墨烯夹板后的结构图。
图4为本发明不同半径多层富勒烯添加石墨烯夹板后的结构图对比。
图5为本发明一典型实施案例中多石墨烯挤压多层富勒烯结构图。
图6为本发明一典型实施案例中夹板挤压多层富勒烯时多层富勒烯产生的应力曲线图。
图7为本发明一典型实施案例中挤压模拟过程中的模型切面细节图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例提供了基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法，其包括：
读取多层富勒烯数据，如图2所示，利用大规模原子分子并行模拟器 (Lammps)计算多层富勒烯内每个原子位置，根据多层富勒烯边界尺划定两个区域，具体过程为：计算多层富勒烯每个原子的位置，得到多层富勒烯所有原子在空间内三个方向位置的最大最小值、Xmin、Ymax、Ymin 、Zmax、Zmin。为了防止多层富勒烯在X、Y方向产生滑移超出后续夹板的范围，划定两个区域，其X、 Y方向边界均为：X方向(Xmax+Xmin)/2±(Xmax-Xmin)，Y方向 (Ymax+Ymin)/2±(Ymax-Ymin)。为了避免模拟开始前夹板对多层富勒烯产生影响，并尽可能减少不必要的算力浪费，两个区域在Z方向的边界分别为：上部分区域：
Figure BDA0002894937030000041
下部分区域：
Figure BDA0002894937030000042
使后续夹板与富勒烯的距离大于势函数截断距离。
利用晶格(lattice)命令在划定的区域内填充碳原子形成石墨烯，如图3所示。具体过程为：使用lattice晶格命令在设置到的夹板区域填充碳原子形成石墨烯，其晶格设置为：晶格常数为
Figure BDA0002894937030000048
基矢为a1(4.263,0,0)，a2(0,2.461,0)，a3(0, 0,1.5)，基本原子位置为basis1(0,0,0)，basis2(0.333,0,0)，basis3(0.5,0.5,0)， basis4(0833,0.5,0)；
对于大的多层富勒烯，夹板过小会产生脱出，对于小的多层富勒烯，加班尺寸过大会增加计算量。本发明可以对不同大小的多层富勒烯建立不同尺寸的夹板，如图4所示，合适的夹板尺寸能在保证不出错误的情况下尽量节省计算时间。
选取能够描述多层富勒烯碳碳体系中碳原子间相互作用力的势函数，具体为：使用包括描述长程相互作用力的Lennard-Jones与描述碳碳键合作用力的REBO 的AIREBO。进一步地，AIREBO势函数能量公式为：
Figure BDA0002894937030000043
Figure BDA0002894937030000044
式中，Eij REBO由排斥项
Figure BDA0002894937030000045
和吸引项
Figure BDA0002894937030000046
组成，他们具有Morse势函数的形式，bij是键序项，它根据局部键环境改变键的强度，决于两个原子i和j之间的键序。Dij为势能阱的深度，σij是两原子之间互相作用的势能正好为零时的距离，rij是原子i和原子j之间的距离，具体的数值为0.1050和3.8510。rij是原子i和原子j之间的距离。截断距离设置为
Figure BDA0002894937030000047
设定系统弛豫与分子动力学模拟的参数，包括等温等压系综控温条件、能量最小化、邻域列表设置等，本发明选择正则系综进行平衡约束，所述边界条件为周期边界条件，所述控温条件中使用Nose-Hoover恒定温度为300K。
对石墨烯施加约束，使石墨烯成为不可变形的刚体作为夹板，具体的方法为：使用fix rigid命令设置石墨烯为不可变形的刚体，使用fixmove命令使石墨烯具有静止不动和沿Z轴运动两个状态；
建立循环，在每一次循环过程中通过改变石墨烯夹板运动状态使石墨烯夹板移动指定距离，通过石墨烯夹板的运动挤压多层富勒烯，如图5所示，计算石墨烯产生的应力，直到完成指定的循环次数。在计算过程中实时输出多层富勒烯应力信息和原子坐标文件。具体的计算过程为使用compute stress/atom命令计算每个原子的virial应力分量，通过compute reduce命令求和所有原子的virial应力。通过应力和除以原子体积和计算多层富勒烯的柯西应力，这里单个原子的体积为
Figure BDA0002894937030000051
将应力信息导入Origin进行数据可视化，得到随时间(可以反映夹板运动距离)和应力的关系曲线，如图6所示。
将输出的模型坐标文件导入可视化软件Ovito进行可视化分析，并通过切面分析得到多层富勒烯结构内部的信息，如图7所示。
实施例
在某些实施例之中，一种基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法包括以下步骤：
步骤一：完成Lammps模拟控制文件，即in文件代码的编写；
步骤二：读取要挤压的多层富勒烯模型，建立夹板，施加约束；
步骤三：进行模拟并计算原子坐标信息和应力信息，最后输出计算得到的原子坐标信息和应力与模拟时间的关系曲线；
步骤四：将得到的原子坐标信息导入至可视化Ovito软件进行可视化，并通过切面分析挤压过程中内部结构的信息。
本发明能为多层富勒烯电极锂离子电池领域的动力学仿真提供一定的计算帮助。
本发明所述通过夹板挤压多层富勒烯的方法与传统改变盒子尺寸或添加力的模拟方法相比，考虑了挤压对结构横向变形的影响，并且能够能加简单细致的控制挤压过程，对于表征真实情况多层富勒烯电极材料充电过程中的微结构变化具有实际意义。
本发明对多层富勒烯材料机械性能问题进行较好的动力学分析，克服现有技术的不足。

Claims (5)

1.一种基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法，其特征在于，具体步骤为：
读取多层富勒烯数据，计算多层富勒烯内每个原子位置，根据多层富勒烯边界尺划定两个区域，具体为：计算多层富勒烯每个原子的位置，得到多层富勒烯所有原子在空间内三个方向的最大最小值Xmax、Xmin、Ymax、Ymin 、Zmax、Zmin；
划定的两个区域的边界为：
X方向均为：(Xmax+Xmin)/2±(Xmax-Xmin)，Y方向均为：(Ymax+Ymin)/2±(Ymax-Ymin)，Z方向，上部分区域：
Figure FDA0003682124080000011
下部分区域：
Figure FDA0003682124080000012
式中，
Figure FDA0003682124080000013
为尺寸单位埃；
利用晶格命令在划定的区域内填充碳原子形成石墨烯；
选取能够描述多层富勒烯碳碳体系中碳原子间相互作用力的势函数，所述势函数能量公式为：
Figure FDA0003682124080000014
Figure FDA0003682124080000015
式中，
Figure FDA0003682124080000016
为排斥项，
Figure FDA0003682124080000017
为吸引项，bij是键序项，Dij为势能阱的深度，σij是两原子之间互相作用的势能正好为零时的距离，rij是原子i和原子j之间的距离；
设定系统弛豫与分子动力学模拟的参数；
对石墨烯施加约束，使石墨烯成为不可变形的刚体作为夹板；
建立循环，在每一次循环过程中使石墨烯夹板指定距离，通过石墨烯夹板挤压多层富勒烯，计算应力输出结果，直到达到设定的循环此处，每次循环输出模型坐标文件和应力信息；
将模型坐标文件导入可视化软件Ovito进行挤压过程的可视化，并通过切面分析挤压过程中结构内部微观结构变化，将应力信息导入Origin进行数据可视化。
2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法，其特征在于，在划定的区域利用晶格命令建立晶格并填充碳原子形成石墨烯，其中，晶格设置为：晶格常数
Figure FDA0003682124080000021
基矢a1(4.263,0,0)，a2(0,2.461,0)，a3(0,0,1.5)，基本原子位置为basis1(0,0,0)，basis2(0.333,0,0)，basis3(0.5,0.5,0)，basis4(0833,0.5,0)。
3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法，其特征在于，所述势函数为AIREBO势函数，所述AIREBO势函数包括具有描述长程相互作用力的Lennard-Jones势函数与描述碳碳键合作用力的REBO的势函数。
4.根据权利要求1所述的基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法，其特征在于，设定的系统弛豫与分子动力学模拟的参数包括等温等压系综控温条件、能量最小化、邻域列表。
5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的多层富勒烯单向压缩的模拟方法，其特征在于，对石墨烯施加约束，使石墨烯成为不可变形的刚体作为夹板的具体方法为：使用fixrigid和fix move命令使石墨烯成为仅可上下移动不发生翻转的刚体夹板。
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