CN113743035A - 一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法 - Google Patents

一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于属于熔分赤泥成纤技术领域，提供了一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法。本发明基于确定的熔分赤泥成纤体系中各原子的含量建立立方体盒子，并对对立方体盒子进行高温几何优化；然后对优化后的立方体盒子进行降温分子动力学模拟计算，得到T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离；基于T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标、不同原子间的距离和两点间距离公式，得到每个四配位Si的Qn分布；根据Qn(表征熔渣的聚合度和复杂程度，其中n指的是一个四面体结构中桥氧Si‑O‑Si的个数，这里n取0，1，2，3，4)所占比例进行熔分赤泥成纤结构稳定性预测。所得稳定性预测结果与真实值接近。

Description

一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的 方法
技术领域
本发明涉及熔分赤泥成纤技术领域，尤其涉及一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法。
背景技术
赤泥是生产氧化铝过程中产生的一种固体废弃物，其含有大量的金属氧化物，具有强碱性，成分、性质复杂。据统计，我国每年赤泥排放量约7000万吨，若按每生产1吨氧化铝产生1.45吨左右的赤泥计算，大约产生赤泥量约为10150万吨。然而，我国赤泥综合利用率不足5％，远低于其它大宗工业固体废物的平均利用率(50％)。由于赤泥含有重金属，具有强碱性等特点，因此，含有大量无机物及重金属的赤泥堆存存在很高的安全隐患，不仅容易造成污染，破坏生态环境，还会造成巨大的资源浪费。经实验测试分析可知赤泥的主要成分为Al2O3、SiO2，其次为CaO、Fe2O3、Na2O。目前，赤泥的综合利用主要是利用转底炉提铁，提铁后形成的熔渣即为熔分赤泥。与赤泥相比，熔分赤泥由于铁的含量大幅度降低，其碱性氧化物及氧化铝的含量相应地得到提升。
众所周知，赤泥在成纤的过程中(包括熔分赤泥)，其熔融状态下的结构变化对纤维的性能起到至关重要的影响，但到目前为止，对其成纤过程的微观结构研究与解释相对较少。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法。本发明提供的方法操作简单，且结果所得模拟结果与真实值接近。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法，包括以下步骤：
步骤一、测量原料的主要化学成分含量，根据测量得到的原料的主要化学成分含量，对原料进行调质，确定熔分赤泥成纤体系的原子配比；所述原料包括熔分赤泥、轻烧生石灰、石英砂和白云石；
步骤二、采用Materials Studio软件，基于步骤一确定的熔分赤泥成纤体系中各原子的含量，建立熔分赤泥成纤的立方体盒子；
步骤三、对步骤二所得立方体盒子进行高温几何优化，得到优化后的立方体盒子；
步骤四、对所述优化后的立方体盒子进行降温分子动力学模拟计算，所述降温分子动力学模拟计算的降温过程为：T初经第一降温降至T中进行T中驰豫；所述T中经第二降温降至T终进行T终驰豫；输出T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标；
步骤五、基于步骤四中的T终驰豫阶段体系内的各原子空间点坐标，利用MaterialsStudio软件Forcite Analysis后处理模块径向分布函数RDF确定T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离；
步骤六、基于T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标、不同原子间的距离和两点间距离公式，采用matlab软件分析计算，得到每个四配位Si的Qn分布；
基于公式1，计算得到网络解聚度ND：
Figure BDA0003253960430000021
公式1中，χ(Qn)为统计Qn的相对含量。
优选地，步骤二中，所述Materials Studio软件的参数包括：计算模块为Amorphous Cell模块；密度设置为2.9～2.6g/cm3；力学类型设置为Universal；温度设置为300K。
优选地，步骤三中，所述高温几何优化的参数包括：计算软件为Materials Studio软件；计算模块为GULP模块；力场设置为Garofalini二体势；系综为Number VolumeTemperature系宗；温度设置为5000～6000K；弛豫≥30ps。
优选地，步骤四中，所述T初为步骤三中高温几何优化的温度；所述T终为1600～1800K；所述T中比T终高200～300K；所述第一降温的降温步长为0.1～0.2K/fs，所述T中弛豫≥30ps；所述第二降温的降温步长为0.01～0.02K/fs，所述T终弛豫≥30ps。
优选地，步骤四中，所述降温分子动力学模拟计算的参数包括：计算软件为Materials Studio软件；计算模块为GULP模块；系综为Number Volume Temperature系宗。
优选地，步骤五中，T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离如表1所示：
表1不同原子间的距离
Figure BDA0003253960430000031
。
优选地，步骤六中，所述两点间距离公式如公式2所示：
Figure BDA0003253960430000032
公式2中，xOi为Oi原子的x坐标，xR1为Ri原子的x坐标；yO1为Oi原子的y坐标，yR1为Ri原子的y坐标；zO1为Oi原子的z坐标，zR1为Ri原子的z坐标。
优选地，步骤一中，所述测量原料的主要化学成分含量的仪器为元素分析仪。
优选地，步骤一中，所述原料的主要化学成分包括Fe、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、K2O、Na2O和TiO2。
本发明提供了一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法，包括以下步骤：
步骤一、测量原料的主要化学成分含量，根据测量得到的原料的主要化学成分含量，对原料进行调质，确定熔分赤泥成纤体系的原子配比；所述原料包括熔分赤泥、轻烧生石灰、石英砂和白云石；
步骤二、采用Materials Studio软件，基于步骤一确定的熔分赤泥成纤体系中各原子的含量，建立熔分赤泥成纤的立方体盒子；
步骤三、对步骤二所得立方体盒子进行高温几何优化，得到优化后的立方体盒子；
步骤四、对所述优化后的立方体盒子进行降温分子动力学模拟计算，所述降温分子动力学模拟计算的降温过程为：T初经第一降温降至T中进行T中驰豫；所述T中经第二降温降至T终进行T终驰豫；输出T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标；
步骤五、基于步骤四中的T终驰豫阶段体系内的各原子空间点坐标，利用MaterialsStudio软件Forcite Analysis后处理模块径向分布函数RDF确定T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离；
步骤六、基于T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标、不同原子间的距离和两点间距离公式，采用matlab软件分析计算，得到每个四配位Si的Qn分布；
基于公式1，计算得到网络解聚度ND：
Figure BDA0003253960430000041
公式1中，χ(Qn)为统计Qn的相对含量。
本发明基于确定的熔分赤泥成纤体系中各原子的含量，采用Materials Studio软件建立熔分赤泥成纤的立方体盒子；然后对立方体盒子进行高温几何优化，得到优化后的立方体盒子；然后对优化后的立方体盒子进行降温分子动力学模拟计算，得到T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离；基于T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标、不同原子间的距离和两点间距离公式，采用matlab软件分析计算，得到每个四配位Si的Qn分布；根据Qn(表征熔渣的聚合度和复杂程度，其中n指的是一个四面体结构中桥氧Si-O-Si的个数，这里n取0，1，2，3，4)所占比例进行熔分赤泥成纤结构稳定性预测。所得稳定性预测结果与真实值接近。
附图说明
图1为每个四配位Si的Qn分布示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法，包括以下步骤：
步骤一、测量原料的主要化学成分含量，根据测量得到的原料的主要化学成分含量，对原料进行调质，确定熔分赤泥成纤体系的原子配比；所述原料包括熔分赤泥、轻烧生石灰、石英砂和白云石；
步骤二、采用Materials Studio软件，基于步骤一确定的熔分赤泥成纤体系中各原子的含量，建立熔分赤泥成纤的立方体盒子；
步骤三、对步骤二所得立方体盒子进行高温几何优化，得到优化后的立方体盒子；
步骤四、对所述优化后的立方体盒子进行降温分子动力学模拟计算，所述降温分子动力学模拟计算的降温过程为：T初经第一降温降至T中进行T中驰豫；所述T中经第二降温降至T终进行T终驰豫；输出T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标；
步骤五、基于步骤四中的T终驰豫阶段体系内的各原子空间点坐标，利用MaterialsStudio软件Forcite Analysis后处理模块径向分布函数RDF确定T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离；
步骤六、基于T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标、不同原子间的距离和两点间距离公式，采用matlab软件分析计算，得到每个四配位Si的Qn分布；
基于公式1，计算得到网络解聚度ND：
Figure BDA0003253960430000051
公式1中，χ(Qn)为统计Qn的相对含量。
在本发明中，如无特殊说明，本发明所用原料均优选为市售产品。
本发明测量原料的主要化学成分含量，根据测量得到的原料的主要化学成分含量，对原料进行调质，确定熔分赤泥成纤体系的原子配比。
在本发明中，所述原料包括熔分赤泥、轻烧生石灰、石英砂和白云石。
在本发明中，所述测量原料的主要化学成分含量的仪器优选为元素分析仪。
在本发明中，所述原料的主要化学成分包括Fe、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、K2O、Na2O和TiO2。
本发明对原料进行调质的具体参数不做具体限定，只要能够使熔分赤泥成纤即可。
确定熔分赤泥成纤体系的原子配比后，本发明采用Materials Studio软件，基于上述步骤确定的熔分赤泥成纤体系中各原子的含量，建立熔分赤泥成纤的立方体盒子。
在本发明中，所述Materials Studio软件的参数包括：计算模块优选为AmorphousCell模块，即采用Materials Studio软件中的Amorphous Cell模块进行计算；密度优选设置为2.9～2.6g/cm3，进一步优选为2.7g/cm3；力学类型优选设置为Universal；温度优选设置为300K。在本发明中，所述采用Materials Studio软件，基于确定的熔分赤泥成纤体系中各原子含量，建立熔分赤泥成纤的立方体盒子的过程具体为：将确定的熔分赤泥成纤体系中各原子种类及含量输入到Materials Studio软件中的Amorphous Cell模块中，并设置密度、力学类型和温度，即可得到具有周期性边界条件的不定型熔分赤泥成纤的立方体盒子。
得到立方体盒子后，本发明对所述立方盒子进行高温几何优化，得到优化后的立方体盒子。
在本发明中，所述高温几何优化的参数包括：计算软件优选为Materials Studio软件；计算模块优选为GULP模块；即所述高温几何优化是在Materials Studio软件中的GULP模块中进行；力场优选设置为Garofalini二体势；系综优选为Number VolumeTemperature系宗；温度优选设置为5000～6000K；弛豫优选≥30ps，进一步优选为30～50ps，更优选为30ps。
在本发明中，所述高温几何优化能够保证各原子充分混合，能量均衡化，提高模拟的准确性。
得到优化后的立方体盒子后，本发明对所述优化后的立方体盒子进行降温分子动力学模拟计算，所述降温分子动力学模拟计算的降温过程为：T初经第一降温降至T中进行T中驰豫；所述T中经第二降温降至T终进行T终驰豫；输出T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标。
在本发明中，所述T初优选为步骤三中高温几何优化的温度，即所述T初优选为5000～6000K。在本发明中，所述T终优选为1600～1800K；所述T终弛豫优选≥30ps，进一步优选为30～50ps，具体优选为30ps。在本发明中，所述T中优选比T终高200～300K；所述T中弛豫优选≥30ps，进一步优选为30～50ps，更优选为30ps。在本发明中，所述第一降温的降温步长优选为0.1～0.2K/fs，进一步优选为0.1K/fs。在本发明中，所述第二降温的降温步长优选为0.01～0.02K/fs，进一步优选为0.01K/fs。
本发明中，在T中和T终的温度下进行弛豫能够平衡体系，使体系能量均衡化，消除残余应力，提高模拟准确度。
在本发明中，所述降温分子动力学模拟计算的参数包括：计算软件优选为Materials Studio软件；计算模块为优选GULP模块；即所述降温分子动力学模拟计算在Materials Studio软件的GULP模块中进行；系宗优选为Number Volume Temperature系宗。
在本发明中，所述T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标以gout的格式输出。
得到T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标后，本发明基于所得T终驰豫阶段体系内的各原子空间点坐标，利用Materials Studio软件Forcite Analysis后处理模块径向分布函数RDF确定T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离。
在本发明中，T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离如表1所示。
表1不同原子间的距离
Figure BDA0003253960430000071
得到T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标和不同原子间的距离后，本发明基于T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标、不同原子间的距离和两点间距离公式，采用matlab软件分析计算，得到每个四配位Si的Qn分布。
在本发明中，所述两点间距离公式如公式2所示：
Figure BDA0003253960430000072
公式2中，xOi为Oi原子的x坐标，xR1为Ri原子的x坐标；yO1为Oi原子的y坐标，yR1为Ri原子的y坐标；zO1为Oi原子的z坐标，zR1为Ri原子的z坐标。
在本发明中，每个四配位Si的Qn分布示意图如图1所示。
得到每个四配位Si的Qn分布后，本发明基于公式1，计算得到网络解聚度ND：
Figure BDA0003253960430000081
公式1中，χ(Qn)为统计Qn的相对含量。
在本发明中，网络解聚度ND数值越大，则网络结构的聚合度越低，结构越不稳定。
下面结合实施例对本发明提供的基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
采用元素测定仪测定熔分赤泥、石英砂、白云石和轻烧生石的主要元素含量，结果如表2所示。
表2原料主要化学成分分析(wt％)
Figure BDA0003253960430000082
根据熔分赤泥、轻烧生石灰、石英砂和白云石的主要化学成分确定熔分赤泥成纤的各原料配比：本实施例选择Fe、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、TiO2和Na2O作为基础组分，K2O含量少，暂不考虑；确定Fe原子38个、Si原子292个、Al原子344个、Ca原子107个、Mg原子50个、Ti原子13个、Na原子64个、O原子1404个，总原子数为2284个。
(1)基于上述的原子种类和个数，通过Materials Studio软件中Amorphous Cell模块构建熔分赤泥成纤的立方体盒子，密度设定为2.7g/cm3，力场类型为Universal，温度设定为300K。
(2)利用Materials Studio软件GULP对所构建的立方体盒子进行高温几何优化：对上述立方体盒子在NVT系综下在6000K下进行30ps的弛豫，去除立方体盒子内的残余应力，使体系内原子均匀分布，提高模拟的可靠性。
(3)对所述优化后的立方体盒子进行降温分子动力学模拟计算：将高温集合优化后的立方盒子用40ps的时间由6000K(T初)降到2000K(T中)温降速度为0.1K/fs，在2000K(T中)下弛豫30ps，再用20ps的时间由2000K(T中)降到1800K(T终)，温降速度为0.01K/fs；在1800K(T终)温度下再弛豫30ps，保证体系中原子均匀分布，系统能量均衡化，消除应力。
(4)降温分子动力学模拟计算结束，输出输出T终(1800K)驰豫阶段体系内各原子空间点坐标，并以gout的格式输出；
(5)利用Materials Studio软件Forcite Analysis后处理模块径向分布函数RDF确定T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离rOR；
(6)根据T终(1800K)驰豫阶段体系内各原子空间点坐标、不同原子间的距离rOR，利用两点间距离公式2，采用matlab软件分析计算，得到每个四配位Si的Qn分布；
再基于公式1计算得到网络解聚度ND。
模拟计算结果：Q0＝29.8％，Q1＝32.9，Q2＝24.3，Q3＝11.9，Q4＝1.0，ND＝3.77。
利用拉曼光谱测试T终(1800K)驰豫阶段体系的每个四配位Si的Qn分布，得到网络解聚度，结果为：ND＝3.65。
实施例2
本实施例选择Fe、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、TiO2和Na2O作为基础组分，K2O含量少，暂不考虑；确定Fe原子38个、Si原子333个、Al原子294个、Ca原子107个、Mg原子50个、Ti原子13个、Na原子64个、O原子1379个，总原子数为2292个。
其他步骤与实施例1相同。
模拟计算结果：Q0＝22.8％，Q1＝29.7％，Q2＝27.9％，Q3＝16.2％，Q4＝3.3，ND＝3.49。
利用拉曼光谱测试终段体系的每个四配位Si的Qn分布和网络解聚度，结果为：ND＝3.41。
实施例3
本实施例选择Fe、SiO2、Al2O3、CaO、MgO、TiO2和Na2O作为基础组分，K2O含量少，暂不考虑；确定Fe原子38个、Si原子375个、Al原子246个、Ca原子107个、％Mg原子50个、Ti原子13个、Na原子64个、O原子1391个，总原子数为2300个。
其他步骤与实施例1相同。
模拟计算结果：Q0＝13.8，Q1＝26.9，Q2＝30.7，Q3＝22.1，Q4＝6.4，ND＝3.13。
利用拉曼光谱测试终段体系的每个四配位Si的Qn分布和网络解聚度，结果为：ND＝3.05。
从以上实施例可以看出：本发明提供的方法得到的模拟结果与实验所得结果接近，相符性好，即随着SiO2相对含量的增大，其稳定性越好，证明本发明的方法能准确预测熔分赤泥成纤的网络聚合度，对熔分赤泥成纤结构稳定性提供较为精准的预测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于分子动力学模拟熔分赤泥成纤体系结构稳定性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、测量原料的主要化学成分含量，根据测量得到的原料的主要化学成分含量，对原料进行调质，确定熔分赤泥成纤体系的原子配比；所述原料包括熔分赤泥、轻烧生石灰、石英砂和白云石；
步骤二、采用Materials Studio软件，基于步骤一确定的熔分赤泥成纤体系中各原子的含量，建立熔分赤泥成纤的立方体盒子；
步骤三、对步骤二所得立方体盒子进行高温几何优化，得到优化后的立方体盒子；
步骤四、对所述优化后的立方体盒子进行降温分子动力学模拟计算，所述降温分子动力学模拟计算的降温过程为：T初经第一降温降至T中进行T中驰豫；所述T中经第二降温降至T终进行T终驰豫；输出T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标；
步骤五、基于步骤四中的T终驰豫阶段体系内的各原子空间点坐标，利用MaterialsStudio软件Forcite Analysis后处理模块径向分布函数RDF确定T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离；
步骤六、基于T终驰豫阶段体系内各原子空间点坐标、不同原子间的距离和两点间距离公式，采用matlab软件分析计算，得到每个四配位Si的Qn分布；
基于公式1，计算得到网络解聚度ND：
Figure FDA0003253960420000011
公式1中，χ(Qn)为统计Qn的相对含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤二中，所述Materials Studio软件的参数包括：计算模块为Amorphous Cell模块；密度设置为2.9～2.6g/cm3；力学类型设置为Universal；温度设置为300K。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，所述高温几何优化的参数包括：计算软件为Materials Studio软件；计算模块为GULP模块；力场设置为Garofalini二体势；系综为Number Volume Temperature系宗；温度设置为5000～6000K；弛豫≥30ps。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中，所述T初为步骤三中高温几何优化的温度；所述T终为1600～1800K；所述T中比T终高200～300K；所述第一降温的降温步长为0.1～0.2K/fs，所述T中弛豫≥30ps；所述第二降温的降温步长为0.01～0.02K/fs，所述T终弛豫≥30ps。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，步骤四中，所述降温分子动力学模拟计算的参数包括：计算软件为Materials Studio软件；计算模块为GULP模块；系综为NumberVolume Temperature系宗。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中，T终驰豫阶段体系内不同原子间的距离如表1所示：
表1 不同原子间的距离
Figure FDA0003253960420000021
。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤六中，所述两点间距离公式如公式2所示：
Figure FDA0003253960420000022
公式2中，xOi为Oi原子的x坐标，xR1为Ri原子的x坐标；yO1为Oi原子的y坐标，yR1为Ri原子的y坐标；zO1为Oi原子的z坐标，zR1为Ri原子的z坐标。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤一中，所述测量原料的主要化学成分含量的仪器为元素分析仪。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，步骤一中，所述原料的主要化学成分包括Fe、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、K2O、Na2O和TiO2。
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