CN115440319B - 一种模拟材料结构非晶化的新方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料结构非晶化技术领域，提供了一种模拟材料结构非晶化的新方法。包括：对理想环境下的材料进行从头算分子动力学模拟，得到模拟后的晶胞结构；采用相同的模拟温度和模拟时间，改变体系的电子激发浓度，对材料进行从头算分子动力学模拟；获取模拟过程中体系的温度和能量的变化趋势，判断模拟后体系的温度和能量是否达到平衡；若所述体系的温度和能量达到平衡，则利用Ovito Basic软件获取所述体系中原子径向分布函数；否则，回到开始的步骤，延长模拟时间再次进行模拟，直至经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量达到平衡。本发明操作简单，成本低，易于实现，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于材料结构非晶化技术领域，尤其涉及一种模拟材料结构非晶化的新方法。
背景技术
世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气与煤炭的广泛应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，这一经济的资源载体将在21世纪上半叶接近枯竭，最终可能造成世界经济的衰退。除此以外，化石能源的大量使用带来了大气污染、水污染以及土地污染等环境问题。因而，随着能源危机的到来，以及环境污染对人类生产生活产生的巨大影响，世界各国对清洁能源和可再生能源的需求持续增长。核能作为一种可持续发展的清洁能源受到了人们的广泛关注，而探索具有更高的热导率、更好的化学稳定性以及更强的抗辐照性能的核燃料成为这一研究领域的重要议题。
具有良好抗辐照性能的材料可以防止其在辐照环境下发生材料结构非晶化，进而影响核燃料的性能、以及核裂变产物在核燃料中的一系列行为。因此，研究材料的抗辐照性能是探索潜在核燃料的一个重要研究领域。而一种材料在辐照环境下发生结构非晶化，主要是由于体系中原子间相互碰撞、电子受到激发、以及电离作用等引起的。据报道，在300K的环境温度下，2％的电子激发浓度可以引起钛酸盐烧绿石材料的结构非晶化；在200K的环境温度下，1.6％的电子激发浓度可以引起La2Zr2O7材料的结构非晶化。由此可以看出，在一定的环境温度下，改变电子激发浓度可以导致材料结构非晶化，这为从理论上模拟材料结构非晶化提供了新的研究思路。另一方面，现有技术在解决这一领域的问题时，多为采用模拟纳米压痕技术探究材料是否发生结构非晶化，该方法过程繁琐、不易实现，且无法大规模推广应用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种模拟材料结构非晶化的新方法。
本发明所述模拟材料结构非晶化的新方法的技术方案包括：
步骤一，对理想环境下的材料进行从头算分子动力学模拟，得到模拟后的晶胞结构；
步骤二，采用与步骤一相同的模拟温度和模拟时间，改变体系的电子激发浓度，对材料进行从头算分子动力学模拟，得到模拟后的晶胞结构；
步骤三，获取模拟过程中体系的温度和能量的变化趋势，判断经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量是否达到平衡；
步骤四，若经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量达到平衡，转向步骤五；否则，返回步骤一，并延长模拟时间，直至经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量达到平衡；
步骤五，利用Ovito Basic软件获取所述体系中原子径向分布函数。
进一步，以传统核燃料材料UO2为例，所述步骤一中，对理想环境下的材料进行从头算分子动力学的模拟包括：
(1)根据晶格常数和原子坐标，构建UO2的初始结构；设置参数IBRION＝2，ISIF＝3，ENCUT＝500eV，K点取1×1×1，进行所述体系磁矩的测试，确定从头算分子动力学模拟计算中使用的磁矩；
(2)基于步骤(1)确定的参数，对UO2超胞进行从头算分子动力学模拟计算，设置模拟温度为300K，模拟时间为3ps，设置参数IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及
进一步，所述步骤二包括：
(1)设置参数NELECT＝790，IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及对材料进行从头算分子动力学模拟；
(2)设置参数NELECT＝748，IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及对材料进行从头算分子动力学模拟；
(3)设置参数NELECT＝707，IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及对材料进行从头算分子动力学模拟。
进一步，所述步骤四包括：
判断从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量是否达到平衡，即体系的温度和能量在某一固定平均值附近振荡；
若该体系的温度和能量未达到平衡，延长从头算分子动力学模拟计算模拟时间，增加从头算分子动力学模拟步数，即设置参数NSW，并保持模拟时间步长1.5fs不变。
进一步，所述步骤五中，利用Ovito Basic软件获取所述体系中原子径向分布函数包括：
根据径向分布函数公式ρ4πr2dr，利用Ovito Basic软件得到体系的原子径向分布函数。
结合上述技术方案和解决的技术问题，本技术方案的优点及其产生的积极效果有：
第一，针对现有技术存在的问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决技术问题，以及解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明通过改变材料的电子激发浓度，借助从头算分子动力学模拟计算，得到体系在不同电子激发浓度下的平衡几何结构和原子径向分布函数，从而判断材料是否变为短程有序长程无序的非晶体。以UO2为例，对电子激发浓度为5％、10％、以及15％的体系，在300K的环境温度下，进行从头算分子动力学模拟计算，模拟时间为3ps。经过从头算分子动力学模拟计算，获得不同电子激发浓度下体系的原子径向分布函数，通过观察径向分布函数图可以发现，UO2体系在电子激发浓度达到10％时出现非晶化趋势，在电子激发浓度达到15％时，UO2材料变为短程有序长程无序的非晶体；进一步观察其平衡原子结构图，可以验证UO2材料在15％的电子激发浓度下，材料发生了结构非晶化。
本发明操作简单、结果准确，可以方便快速地判断材料结构是否发生非晶化，是一种定性半定量判断材料结构非晶化的方法。
第二，将本技术方案视作一个整体，从产品的角度，分析本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明借助从头算分子动力学模拟计算方法，改变模拟计算时电子激发浓度，通过分析模拟计算完成后体系的原子径向分布函数和平衡原子结构图，就可以判断材料结构是否发生非晶化；本发明方法在整个过程中不涉及实验和不使用化学用品，不产生化学污染，符合绿色环保理念；且操作简单，成本低，易于实现，适合推广应用。
第三，关于本发明的创新性，其他辅助证据还包括：
本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：
本发明借助从头算分子动力学模拟计算方法，改变体系的电子激发浓度，获得经过计算模拟后的平衡原子结构；本发明通过绘制原子径向分布函数图，判断不同电子激发浓度下，体系是否达到了短程有序长程无序的非晶化状态。这套技术方案，避免了较为复杂的纳米压痕模拟过程，仅仅通过调整模拟计算时的参数改变电子激发浓度，利用原子径向分布函数和平衡原子结构图，就可以快速准确地判断材料是否发生了结构非晶化。
本发明的方便性、易推广性，解决了长久以来人们一直渴望解决的快速准确判断材料结构非晶化的技术难题，进而帮助人们找到具有更好抗辐照性能的材料。
附图说明
图1是本发明实施例提供的模拟材料结构非晶化新方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的理想态UO2体系在模拟过程中体系能量随时间变化示意图；
图3是本发明实施例提供的电子激发浓度ec为5％时的UO2体系在模拟过程中体系能量随时间变化示意图；
图4是本发明实施例提供的电子激发浓度ec为10％时的UO2体系在模拟过程中体系能量随时间变化示意图；
图5是本发明实施例提供的电子激发浓度ec为15％时的UO2体系在模拟过程中体系能量随时间变化示意图；
图6是本发明实施例提供的理想态UO2体系在模拟过程中体系温度随时间变化示意图；
图7是本发明实施例提供的电子激发浓度ec为5％时的UO2体系在模拟过程中体系温度随时间变化示意图；
图8是本发明实施例提供的电子激发浓度ec为10％时的UO2体系在模拟过程中体系温度随时间变化示意图；
图9是本发明实施例提供的电子激发浓度ec为15％时的UO2体系在模拟过程中体系温度随时间变化示意图；
图10是本发明实施例提供的理想态UO2体系经模拟后的原子结构示意图；
图11是本发明实施例提供的电子激发浓度ec为5％时的UO2体系经模拟后的原子结构示意图；
图12是本发明实施例提供的电子激发浓度ec为10％时的UO2体系经模拟后的原子结构示意图；
图13是本发明实施例提供的电子激发浓度ec为15％时的UO2体系经模拟后的原子结构示意图；
图14是本发明实施例提供的理想态UO2体系以及电子激发浓度ec分别为5％、10％、以及15％时的UO2体系经模拟后的原子径向分布函数图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。需要说明的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的模拟材料结构非晶化的方法包括：
S101，对理想环境下的材料于300K下进行模拟时间为3ps的从头算分子动力学模拟，得到模拟后的晶胞结构；
S102，采用与步骤S101相同的模拟温度和模拟时间，改变体系的电子激发浓度，对材料进行从头算分子动力学模拟，得到模拟后的晶胞结构；
S103，获取模拟过程中体系的温度和能量的变化趋势，判断经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量是否达到平衡；
S104，若经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量达到平衡，转向步骤S105；否则，返回步骤S101，并延长模拟时间，直至经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量达到平衡；
S105，根据径向分布函数公式ρ4πr2dr，利用Ovito Basic软件得到体系的原子径向分布函数。
步骤S101中，本发明实施例提供的对理想环境下的材料进行从头算分子动力学模拟包括：
(1)根据晶格常数和原子坐标，构建UO2的初始结构；设置参数IBRION＝2，ISIF＝3，ENCUT＝500eV，K点取1×1×1，进行所述体系磁矩的测试，确定从头算分子动力学模拟计算中使用的磁矩；
(2)基于步骤(1)确定的参数，对UO2超胞进行从头算分子动力学模拟计算，设置参数IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及
本发明实施例提供的步骤S102包括：
(1)设置参数NELECT＝790，IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及对材料进行从头算分子动力学模拟；
(2)设置参数NELECT＝748，IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及对材料进行从头算分子动力学模拟；
(3)设置参数NELECT＝707，IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及对材料进行从头算分子动力学模拟。
步骤S104中，本发明实施例提供的经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量达到平衡为体系的温度和能量在某一固定平均值附近振荡。若该体系的温度和能量未达到平衡，延长从头算分子动力学模拟计算模拟时间，增加从头算分子动力学模拟步数，即设置参数NSW，并保持模拟时间步长1.5fs不变。如图2至图5所示，UO2体系在模拟时间为3ps时，能量达到了平衡；如图6至图9所示，UO2体系在模拟时间为3ps时，温度达到了平衡。
步骤S105中，根据径向分布函数公式ρ4πr2dr，利用Ovito Basic软件得到体系的原子径向分布函数。如图14所示，可以看出在电子激发浓度为10％时，UO2体系出现了非晶化趋势；在电子激发浓度为15％时，UO2体系的结构变为了短程有序长程无序的非晶体；对照图10至图13的UO2原子结构示意图可以看出，UO2体系出现了结构非晶化。
本发明实施例提供的技术方案在不同的材料体系中得到了应用，除上述提到的UO2体系以外，所应用的材料体系还有β-U3Si、Y2Ti2O7、以及Gd2Ti2O7等。以β-U3Si体系为例，按照如图1所示的材料结构非晶化的方法流程图，首先对理想环境下的β-U3Si体系于300K下进行从头算分子动力学模拟，设置模拟时间为3ps，得到模拟后的晶胞结构；之后按照步骤S102，采用与步骤S101相同的模拟温度和模拟时间，改变体系的电子激发浓度分别为5％，10％以及15％，即设置从头算分子动力学模拟参数NELECT分别为695，658，622；根据步骤S103，绘制模拟过程中体系温度和能量的变化趋势图，观察模拟过程中获得的温度和能量的变化情况，判断经过3ps的模拟时间后，体系的温度和能量是否达到了平衡；通过观察发现，经过3ps的模拟时间后，该体系温度和能量未达到平衡，这时将模拟时间延长至6ps；在体系的温度和能量达到平衡后，根据步骤S105，用Ovito Basic软件绘制体系的原子径向分布函数图，发现体系没有变为短程有序长程无序的非晶体，观察此时β-U3Si原子结构示意图，可以验证此时材料没有发生非晶化。
本发明实施例提供的模拟材料结构非晶化的方法具体包括以下步骤：
步骤1，对理想环境下的材料进行从头算分子动力学模拟，模拟温度为300K，经过一定模拟时间后，获得模拟后的晶胞结构。
步骤1.1，根据参考文献中给出的晶格常数和原子坐标，构建UO2单胞的初始结构。UO2属于立方晶系，其单胞的结构参数如表1所示，包含8个O原子与4个U原子。
表1 UO2的结构参数
步骤1.2，设置参数IBRION＝2，ISIF＝3，ENCUT＝500eV，对UO2单胞进行结构优化，测试该体系的磁矩。从而确定从头算分子动力学模拟计算中使用的磁矩，即参数MAGMOM的设置。
步骤1.3，基于步骤1.2中确定的参数，对UO2超胞(2×2×2)进行从头算分子动力学模拟计算，设置模拟时间为3ps，模拟温度为300K。设置参数IBRION＝0，电子循环步长参数POTIM＝1.5，电子循环步数NSW＝2000，ALGO＝very fast，磁矩参数MAGMOM＝64*0 4*28*-2 8*2 8*-2 4*2，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10- 4eV以及 获得模拟后的晶胞结构。
步骤2，采用与步骤1中相同的模拟温度和模拟时间，改变体系的电子激发浓度，即参数NELECT的值，对材料进行从头算分子动力学模拟，获得模拟后的晶胞结构。由于UO2超胞(2×2×2)的总电子数为832，因此在5％、10％、以及15％的电子激发浓度下，NELECT的值分别设置为790，748以及707。
步骤3，在步骤1和步骤2的基础上，获得模拟过程中体系总能量的变化趋势，如图2至图5所示。其中，图2至图5分别表示理想UO2体系、以及电子激发浓度分别为5％、10％、15％时的UO2体系的能量变化示意图。可以看出，在模拟时间为3ps时，上述四种体系的总能量达到了平衡状态；
在步骤1和步骤2的基础上，获得模拟过程中体系温度的变化趋势，如图6至图9所示。其中，图6至图9分别表示理想UO2体系、以及电子激发浓度分别为5％、10％、15％时的UO2体系的温度变化示意图。可以看出，在模拟时长为3ps时，上述四种体系的温度达到了平衡状态。
步骤4，如图2至图9所示，模拟时间为3ps时，步骤3所述四种体系的温度和总能量达到了平衡，此时，在步骤1和步骤2的基础上，给出所述四种体系的结构图，如图10至图13所示。其中，图10至图13分别表示理想UO2体系、以及电子激发浓度分别为5％、10％、15％的UO2体系的结构示意图。
在步骤1和步骤2的基础上，根据径向分布函数公式ρ4πr2dr，使用Ovito Basic软件，给出理想UO2体系、以及具有5％、10％、15％电子激发浓度的UO2体系的原子径向分布函数图，如图14所示。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
1.本发明基于从头算分子动力学模拟计算方法，给定模拟时间和模拟温度，获得模拟后的原子径向分布函数，就可以判断材料是否发生结构非晶化。
2.本发明方法在整个过程中不涉及实验和不使用化学用品，不产生化学污染，符合绿色环保理念；且本发明成本较低、操作简单、准确性高、应用广泛且重复性好，易于实现，适合推广应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种模拟材料结构非晶化的新方法，其特征在于，所述模拟材料结构非晶化的新方法包括：
步骤一，对理想环境下的材料进行从头算分子动力学模拟，得到模拟后的晶胞结构；
步骤二，采用与步骤一相同的模拟温度和模拟时间，改变体系的电子激发浓度，对材料进行从头算分子动力学模拟，得到模拟后的晶胞结构；
步骤三，获取模拟过程中体系的温度和能量的变化趋势，判断经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量是否达到平衡；
步骤四，若经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量达到平衡，转向步骤五；否则，返回步骤一，并延长模拟时间，直至经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量达到平衡；
步骤五，利用Ovito Basic软件获取所述体系中原子径向分布函数；
所述步骤一中，对理想环境下的材料进行从头算分子动力学模拟包括：
(1)根据晶格常数和原子坐标，构建UO2的初始结构；设置参数IBRION＝2，ISIF＝3，ENCUT＝500eV，K点取1×1×1，进行所述体系磁矩的测试，确定从头算分子动力学模拟计算中使用的磁矩；
(2)基于步骤(1)确定的参数，对UO2超胞进行从头算分子动力学模拟计算，模拟时间为3ps,模拟温度为300K，设置参数IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及
所述步骤二包括：
设置参数NELECT＝790，IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及 对材料进行从头算分子动力学模拟；
或设置参数NELECT＝748，IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及 对材料进行从头算分子动力学模拟；
或设置参数NELECT＝707，IBRION＝0，POTIM＝1.5，ALGO＝very fast，K点取1×1×1，采用PBEsol泛函，能量和力的收敛标准分别为1×10-4eV以及 对材料进行从头算分子动力学模拟；
所述步骤四中，经过从头算分子动力学模拟后体系的温度和能量达到平衡为所述体系的温度和能量在某一固定平均值附近振荡；
若该体系的温度和能量未达到平衡，延长从头算分子动力学模拟计算模拟时间，增加从头算分子动力学模拟步数，即设置参数NSW，并保持模拟时间步长1.5fs不变。
2.如权利要求1所述模拟材料结构非晶化的方法，其特征在于，所述步骤五中，利用Ovito Basic获取所述体系中原子径向分布函数包括：
根据径向分布函数公式ρ4πr2dr，利用Ovito Basic软件得到体系的原子径向分布函数。
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