CN118280499A - 一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,涉及耐腐蚀材料技术领域。该方法通过基于Mathieu方程转化的基于阻尼的薛定谔方程实现,基于Mathieu方程转化的基于阻尼的薛定谔方程为:,其中为耐腐蚀材料的分子运动状态,,,,其中方程的第二项c是“空间阻尼”项,基于耐腐蚀材料的各项性质h为约化普朗克常数、m为粒子的质量、k0为波数,v0为常数项,代入以上常数计算a,b参数,再代入图2,便可以评估该材料的稳定性。本发明极大地降低了量子计算时间,提高计算效率,与此同时更加贴近实际耐腐蚀材料情况,评估结果更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及耐腐蚀材料技术领域,更具体的说是涉及一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法。
背景技术
薛定谔方程通常适用于宏观尺度的材料。但是在纳米尺度或者表面、界面等特殊结构中,电子结构之间的阻尼也会影响电子能带结构,这种效应在传统的薛定谔方程处理中可能被忽略。腐蚀是一个复杂的化学过程,涉及多种物质之间的相互作用。线性薛定谔方程通常只能描述材料内部的电子结构,无法直接考虑材料与等外部环境的相互作用。
文献表明,量子力学与经典力学是相互协调的。首先从张永德2016版《量子力学》讲起,提到在对类氢原子谱作仔细研究时发现,薛定谔方程理论是近似的,需要修正,如Darawin振颤项修正等。无独有孤,在Kohn-Sham(KS)方程分析中也存在带隙问题。为了克服这个著名的带隙问题,近年来世界上有多项研究工作发表,但这些文章没有从根本机理上找到和消除“病因”。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,将波浪经典力学与量子力学相结合,建立基于阻尼的拓展薛定谔方程,并利用Mathieu不稳定性建立耐腐蚀材料能带结构参数分析图,极大地降低了量子计算时间,提高计算效率。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,该方法通过基于Mathieu方程转化的基于阻尼的薛定谔方程实现,基于Mathieu方程转化的基于阻尼的薛定谔方程为:
,
其中为耐腐蚀材料的分子运动状态,,,,其中方程的第二项c是“空间阻尼”项,基于耐腐蚀材料的各项性质h为约化普朗克常数、m为粒子的质量、k0为波数,v0为常数项,代入以上常数计算a,b参数,再代入图2,便可以评估该材料的稳定性。
一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,该方法是由以下步骤得到的:
S1、根据耐腐蚀材料的晶体结构和原子坐标参数,构建代表材料体系的晶格结构;
S2、根据所选的密度泛函理论方法和赝势,建立系统的哈密顿量,包括动能项和势能项,并引入阻尼项来描述材料在具有阻尼效应的势场中的定态行为,建立基于阻尼的薛定谔方程;
S3、通过Mathieu方程转化求解基于阻尼的薛定谔方程,确定耐腐蚀材料能带结构的参数分析图表的横纵坐标;
S4、获得包含耐腐蚀材料能带结构稳定区与不稳定区的参数图,分析耐腐蚀材料的稳定性与性质。
优选的,一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,所述步骤S2具体包括:
S21、基于阻尼的薛定谔方程为:
(2),
其中为粒子的位置坐标,为材料密度,是系数,是关于坐标和密度的函数,其余参数与公式(1)相同势能函数,描述了粒子在位置x处的势能,表示粒子在该量子态下的能量;
S22、利用密度泛函理论,将基于阻尼的薛定谔方程转化为Kohn-Sham方程:
,
其中是系数,与坐标和密度有关,其余参数与公式(1)一致。
优选的,一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,所述步骤S3具体包括:
基于Mathieu方程将式(3)转化的薛定谔方程为:
(1),
其中为耐腐蚀材料的分子运动状态,,,,方程的第二项c是“空间阻尼”项,耐腐蚀材料能带结构的参数分析图表的横纵坐标分别为a,b。
优选的一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,所述步骤S4具体包括:
S41、根据耐腐蚀材料性质h、m、k0、v0,确定Mathieu不稳定性图的横纵坐标a,b的取值范围与Mathieu方程解的特征值;
S42、根据参数h、m、k0、v0的变化,绘制参数空间中的稳定性图,通过不同颜色或其他标记来表示不同的稳定区域与不稳定区域;
S43、根据参数分布图的稳定性区域与不稳定性区域建立耐腐蚀材料的能带结构,确定会导致材料不稳定性的参数及参数范围。
本发明的有益效果为:本发明另辟途径,基于量子力学与经典力学是相互关联的事实,利用经典波浪力学理论,推导基于阻尼的扩展薛定谔方程。基于波浪力学理论改进薛定谔方程有助于量子物理化学问题的澄清和发展新理论方程学。能够用更少的量子资源解决这些问题的发展,具有十分重要的意义。在这种潜在效用的推动下,量子计算化学正在迅速成为一个需要量子计算和计算化学知识的跨学科领域。
本发明用基于阻尼的薛定谔方程架起了计算化学和量子计算的桥梁。另外,量子计算最有前途的应用之一是解决经典的棘手量子化学问题。这可能有助于解决有关高温超导、固态物理学、过渡金属催化和某些生化反应等现象的难题。反过来,这种增加的理解可能有助于我们改进甚至设计出具有科学和工业重要性的新化合物材料。
本方法通过Mathieu方程对基于阻尼的薛定谔方程转化,可以避免求解薛定谔方程的复杂过程,迅速建立耐腐蚀材料能带结构的不稳定性参数分析图表,快速识别材料的稳定性,有效减少计算时间。
本发明主要表现在原始(Schrödinger) 薛定谔方程中增加密度函数梯度与波函数解梯度的相互作用项(之积)称为空间阻尼项。通过研究简单的周期变化势化成Mathieu方程,用Mathieu稳定图把参数平面划分为稳定和不稳定两部分。
使用本发明预测耐腐蚀材料的稳定性时,仅需要根据材料特征参数代入计算便可以轻松预测材料稳定性区域。本发明极大地降低了量子计算时间,提高计算效率,与此同时更加贴近实际耐腐蚀材料情况,评估结果更加准确。
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的实施例,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,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为不含阻尼的参数分布示意图;
图2为本发明含阻尼的参数分布示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1:如图2所示,本实施例公开了一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,该方法通过基于Mathieu方程转化的基于阻尼的薛定谔方程实现,基于Mathieu方程转化的基于阻尼的薛定谔方程为:
,
其中为耐腐蚀材料的分子运动状态,,,,方程的第二项c是“空间阻尼”项,基于耐腐蚀材料的各项性质h为约化普朗克常数、m为粒子的质量、k0为波数、v0为常数项,代入以上常数计算a,b参数,再代入图2,便可以评估该材料的稳定性。
实施例2:结果如图2所示,本实施例公开了一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,包括以下步骤:
S1、根据耐腐蚀材料的晶体结构和原子坐标参数,构建代表材料体系的晶格结构;
S2、根据密度泛函理论方法和赝势,建立系统的哈密顿量,包括动能项和势能项,并引入阻尼项来描述材料材料在具有阻尼效应的势场中的定态行为,建立基于阻尼的薛定谔方程;
S21、基于阻尼的薛定谔方程为:
(2),
其中为粒子的位置坐标,为材料密度,是系数,是关于坐标和密度的函数,其余参数与公式(1)相同势能函数,描述了粒子在位置x处的势能,表示粒子在该量子态下的能量;
S22、利用密度泛函理论将基于阻尼的薛定谔方程转化为Kohn-Sham方程:
(3),
其中是系数,与坐标和密度有关,其余参数与公式(1)一致。
S3、通过Mathieu方程转化求解基于阻尼的薛定谔方程,确定耐腐蚀材料能带结构的参数分析图表的横纵坐标;
基于Mathieu方程将式(3)转化的薛定谔方程为:
(1),
其中为耐腐蚀材料的分子运动状态,,,,方程的第二项c是“空间阻尼”项,耐腐蚀材料能带结构的参数分析图表的横纵坐标分别为a,b。
S4、获得包含耐腐蚀材料能带结构稳定区与不稳定区的参数图,分析耐腐蚀材料的稳定性与性质;
S41、根据耐腐蚀材料性质h、m、k0、v0,确定Mathieu不稳定性图的横纵坐标a,b的取值范围与Mathieu方程解的特征值;
S42、根据参数h、m、k0、v0的变化,采用MATLAB软件绘制参数空间中的稳定性图,通过不同颜色或其他标记来表示不同的稳定区域与不稳定区域;
S43、根据参数分布图的稳定性区域与不稳定性区域建立耐腐蚀材料的能带结构,确定会导致材料不稳定性的(参数h/k/m/v0)范围。
本实施例所得参数分布图为图2,其中横纵坐标a,b分别为[0,5]与[0,5],耐腐蚀材料的稳定区为不同的蓝色区域,不稳定区为白色区域。实际应用中基于耐腐蚀材料的各项性质参数h/k/m/v0,计算a、b参数,再代入图2,便可以轻松评估该材料的稳定性。
对比例1:当薛定谔方程中不含阻尼项时,基于Mathieu方程转化的薛定谔方程,并采用MATLAB软件绘制的参数分布图为图1,其中横纵坐标a、b分别为[0,8]与[0,6],耐腐蚀材料的稳定区为黄色区域,不稳定区为白色区域。
对比图1图2可知,图2更加贴近实际耐腐蚀材料情况,评估结果更加准确。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,其特征在于,该方法通过基于Mathieu方程转化的基于阻尼的薛定谔方程实现,基于Mathieu方程转化的基于阻尼的薛定谔方程为:
,
其中为耐腐蚀材料的分子运动状态,,,,方程的第二项c是“空间阻尼”项,基于耐腐蚀材料的各项性质h为约化普朗克常数、m为粒子的质量、k0为波数、v0为常数项,代入以上常数计算a,b参数。
2.根据权利要求1所述的一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,其特征在于,该方法是由以下步骤得到的:
S1、根据耐腐蚀材料的晶体结构和原子坐标参数,构建代表材料体系的晶格结构;
S2、根据所选的密度泛函理论方法和赝势,建立系统的哈密顿量,包括动能项和势能项,并引入阻尼项来描述材料在具有阻尼效应的势场中的定态行为,建立基于阻尼的薛定谔方程;
S3、通过Mathieu方程转化求解基于阻尼的薛定谔方程,确定耐腐蚀材料能带结构的参数分析图表的横纵坐标;
S4、获得包含耐腐蚀材料能带结构稳定区与不稳定区的参数图,分析耐腐蚀材料的稳定性与性质。
3.根据权利要求2所述的一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,其特征在于,所述步骤S2具体包括:
S21、基于阻尼的薛定谔方程为:
(2);
其中为粒子的位置坐标,为材料密度,是系数,是关于坐标和密度的函数,其余参数与公式(1)相同势能函数,描述了粒子在位置x处的势能,表示粒子在该量子态下的能量;
S22、利用密度泛函理论,将基于阻尼的薛定谔方程转化为Kohn-Sham方程:
,
其中是系数,与坐标和密度有关,其余参数与公式(1)一致。
4.根据权利要求2所述的一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,其特征在于,所述步骤S3具体包括:
基于Mathieu方程将式(3)转化的薛定谔方程为:
(1)
其中为耐腐蚀材料的分子运动状态,,,,方程的第二项c是“空间阻尼”项,耐腐蚀材料能带结构的参数分析图表的横纵坐标分别为a,b。
5.根据权利要求2所述的一种耐腐蚀材料的稳定性评估方法,其特征在于,所述步骤S4具体包括:
S41、根据耐腐蚀材料性质h、m、k0、v0,确定Mathieu不稳定性图的横纵坐标a,b的取值范围与Mathieu方程解的特征值;
S42、根据参数h、m、k0、v0的变化,绘制参数空间中的稳定性图,通过不同颜色或其他标记来表示不同的稳定区域与不稳定区域;
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