SiBCN先驅體轉化陶瓷的計算機模擬研究

羅義

摘 要：本文通過使用Materials Studio軟件進行分子動力學模擬，討論單源SiBCN先驅體制備的SiBCN陶瓷先驅體在通過改變壓力大小，記錄實驗過程中的溫度變化、能量變化、密度變化、結構的邊長與角度的數據進行分析。結合對相關文獻[1]的總結思考，本文對SiBCN先驅體轉化陶瓷的制備有具體研究與展望。

關鍵詞：SiBCN陶瓷；先驅體轉化法；分子動力學模擬

隨著時代的發展與進步，人們對于材料的性能要求更加強烈，特別是近些年熱門的Si基陶瓷，更加是人們關注的焦點。[2]為了更經濟便捷的獲得高性能SiBCN陶瓷材料，人們通常選取單源先驅體通過發生一定的聚合反應而形成陶瓷先驅體，進而得到目標陶瓷產物。而且由單源先驅體合成目標先驅體，可以克服共聚時反應的繁雜而導致的不同分子取代的差異，容易得到空間均勻的目標先驅體，從而避免導致缺陷。對于SiBCN陶瓷來說，現在對于它的研究方面著重在如何使得產物的獲得更加快速簡便，這就需要更加深入的了解其性質。[3]通過對文獻的查閱，我們發現了幾種單源前驅體能夠達到所需的SiBCN陶瓷。[4]面對各種各樣的單源先驅體，在不同環境條件的影響因素會導致實驗的不確定性，這對于科研工作者來說是一件漫長的工作。而使用計算機分子模擬的方法可以很好的突破這種局限，而且可以設計新的合成方法，從而使得科研工作者可以從經驗中轉化為定量的分析，這對于今后開展相關實驗有很強的參考意義。[5]

1 計算方法

1.1 模型構建

本文所采用的參與反應去除單源先驅體氯官能團的物質為甲胺，當選擇好了氨解反應物后，需要考慮對氯取代問題，我們既要考慮到合理性，也需要考慮到計算量。本文是為了探究最優的單源先驅體，顯然取代越完全，能得到效果更好的目標陶瓷。因本文不討論得到的脫氯后的聚合反應，因此本文大膽的假設在最理想的狀態下，取代完全的情況下，對各單源先驅體進行對比研究討論。本文中研究的單源SiBCN先驅體的球棍模型式如圖1所示。

1.2 模擬方法

使用materials studio對上述結構進行幾何優化。對單源SiBCN陶瓷先驅體的研究，我們選擇materials studio中的Forcite模塊進行研究。首先我們將單源SiBCN陶瓷先驅體的結構導入materials studio中，然后點擊modules，選擇Forcite中的Calculation，實驗的相關設置如圖2所示。

通過使用materials studio中的 Forcite進行幾何優化后所得到的單源SiBCN陶瓷先驅體的球棍模型如下圖3所示：

SiBCN陶瓷先驅體的分子量一般都達到了百萬級別，而如果完整的對其進行分子模擬研究，將會產生大負荷工作量，而且計算時間也會相應的變得很長，而且如此巨大分子量的計算會導致計算機死機、奔潰，同樣的這種計算所得到的結果也存在很大的誤差。有研究表明，在計算模擬的過程中，建立的單胞來進行研究，所得到的的結果仍然能夠符合準確性與要求[6-9]。所以我們在materials studio建立具有周期性的SiBCN先驅體的單胞初始模型，并同樣的在Forcite模塊下進行稽核結構優化，優化后的模型如圖4所示。

得到了經過幾何優化的模型后，在一定壓力下進行分子動力學平衡實驗計算，記錄分析達到穩定狀態時的壓力大小，為后續進一步研究提供依據。選擇Forcite模塊，取NPT系綜，在真空條件下，分別取0.01Gpa與0.02Gpa，在溫度為298K，模擬時間步長為1fs，總模擬步數為200ps。

2 結果與討論

2.1 0.01Gpa壓力下對SiBCN先驅體的分子動力學模擬分析

先在0.01Gpa的環境下進行分子動力學模擬實驗，先對體系進行一次NVT平衡，再在NPT體系下進行實驗，經過一定時間的實驗后得到了溫度、能量、單胞密度、邊長與角度的變化曲線。

從圖中可以看到，體系溫度的波動范圍一般，在后期波動的幅度沒有前期大，說明體系在隨著分子動力學模擬的過程中，系統的溫度波動逐漸變小，體系的不穩定性減弱。

從圖中可以看到，體系的總能量隨著實驗的進行時，明顯的在后段的波動幅度減小了，并且趨于穩定，與圖5相匹配，體系的能量與溫度波動一致，同樣說明體系相對穩定。

從圖中可以發現，系統的密度隨著實驗的進行先有往密度增大的方向變化幅度更大，后有往密度減小的方向變化，密度的這種變化也體現著體系的單胞邊長的變化同樣符合這一趨勢。

2.2 0.02Gpa壓力下對對SiBCN先驅體的分子動力學模擬分析

其他參數依然保持不變，繼續使用Forcite模塊，改變壓力為0.02Gpa壓力下，對結構進行分子動力學模擬分析。仍然先對體系進行一次NVT平衡，再進行NPT體系下進行實驗，經過一定時間的實驗后同樣得到了溫度、能量、單胞密度、邊長與角度的變化曲線。

從圖中可以看到，體系溫度的波動范圍也比較大，在后期波動的幅度也明顯變化，說明體系在隨著分子動力學模擬的過程中，系統的溫度處于不穩定狀態。

從圖中可以看到，體系的總能量隨著實驗的進行時，明顯的在后段的波動幅度增大了，但前半段變化幅度比后一段小。

從圖中可以發現，系統的密度隨著實驗的進行而變化幅度很大，且往密度減小方向變化趨勢明顯，而單胞的長度則相反。

3 結論與展望

3.1 結論

本文在學習掌握功能強大的分子動力學模擬軟件Materials studio的基礎上，結合對SiBCN的學習，從理論上建立了SiBCN陶瓷先驅體的單胞分子模型，運用分子動力學理論從分子水平的微觀角度進行了模擬研究，整理實驗所得到的結果與數據，初步得到如下結論：

（1）首先通過理論分析并結合實際，得到了理論上適合進行研究的SiBCN陶瓷先驅體的模型，加深了對SiBCN陶瓷先驅體的理論結構認識，并為今后的SiBCN陶瓷的研究提供了一定的理論依據。

（2）從單源先驅體出發來對合成的陶瓷先驅體進行理論構造，這樣得到的陶瓷先驅體能夠克服取代差異，減少缺陷。通過這兩點構造的陶瓷先驅體結構，在分子動力學模擬下能夠獲得影響因素更少的有效理論結果，對今后研究同樣有參考意義。

（3）實驗選用SiBCN先驅體進行分子動力學模擬實驗，通過分別在0.01Gpa，0.02Gpa的條件下進行模擬分析，通過改變壓力大小，能夠獲得在實驗過程中的溫度變化、能量變化、密度變化、結構的邊長與角度的數據?？梢园l現在0.01Gpa壓力下各項數據起點與終點對比變化很小，在0.02Gpa壓力下仍然看不到顯著變化，說明這種先驅體受到壓力的影響很小。

3.2 展望

本文通過使用Materials studio軟件建立起SiBCN陶瓷先驅體結構，并對其進行分子動力學模擬。在改變壓力的條件下對實驗結果進行了對比，為今后研究與開發新條件下的陶瓷先驅體提供了一定的理論參考依據。但本文還有很多方面值得深入研究，包括：

（1）還需通過實驗分析改變溫度，實驗時長等條件的變化下對SiBCN先驅體進行分子動力學模擬，并分析結果規律。

（2）還需分析討論當脫氯不完全的情況的SiBCN陶瓷先去體，并使用分子動力學模擬來分析結果。

參考文獻：

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