一种基于MaterialsStudio的二氧化硅包覆氟化钙的模拟方法与流程

2021-01-08 13:01:17|

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本发明涉及计算机模拟技术领域，具体涉及一种基于materialsstudio的二氧化硅包覆氟化钙的模拟方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

纳米复合陶瓷材料的强度和断裂较传统的陶瓷材料韧度都有较大的提高，其耐磨性、硬度以及高温性能都得到了较大改善。陶瓷材料具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀等一系列优良的特殊性能，然而陶瓷材料的脆性却限制了应用。

氟化钙是一种良好的固体润滑剂。固体润滑剂的加入可以使刀具材料具有润滑和减磨耐磨性能，避免了润滑油液的使用。但是，由于氟化钙固体润滑剂的力学性能较差，导致自润滑陶瓷材料的使用可靠性降低。表面改性技术的发展使得固体润滑剂在具备良好润滑减磨效果的同时，还可获得良好的力学性能。由二氧化硅包覆氟化钙的固体润滑剂兼具了减磨效果和增韧效果。

然而，现有技术对纳米复合陶瓷材料机理的研究还存在着不足。包覆仅仅停留在实验阶段，分子层面的研究还很匮乏。利用计算机模拟仿真技术，对纳米复合陶瓷材料微观结构和力学性能进行多层次和多尺度的耦合仿真，从多层面上认识材料的组织结构与材料力学性能的关系，不仅可以加深对微观组织演变机理的理解，促进现有理论的发展和新理论的提出，同时可以显著改善材料的微观结构和优化制备工艺，提高纳米复合陶瓷材料的力学性能，节约实验资源，降低研发成本等。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于materialsstudio的二氧化硅包覆氟化钙的模拟方法，通过计算机对包覆过程进行模拟，从机理方面对包覆过程进行阐述。

具体地，本发明的技术方案如下所述：

在本发明的第一方面，本发明提供了一种基于materialsstudio的二氧化硅包覆氟化钙的模拟方法，包括以下步骤：

s1：在materialsstudio中，搭建sio2和caf2的晶体模型，并利用工具切割材料的表面；

s2：在materialsstudio中，将所建立的sio2和caf2晶体模型建立层状连接，形成上、中、下的三层构象；

s3：在materialsstudio中，为s2所构建的模型选择力场；

s4：在materialsstudio中，对s2所构建的模型进行结构优化；

s5：在materialsstudio中，对s4中结构优化后的模型进行分子动力学计算；

s6：在materialsstudio中，对s5中分子动力学计算之后的模型从构象、吸附能、径向分布函数方面进行分析。

进一步地，在s1中，通过切割晶面，得到sio2和caf2晶体模型，得到具有不同表面性质的sio2和caf2；对晶体模型进行扩大，尺寸不得低于截断半径的二倍。

进一步地，在s2中，由于端部原子种类不同，因此可建立多种不同界面的模型，将切割后的sio2和caf2晶体模型建立层状连接，形成上中下的多层分子结构模型，以进行层间相互反应。

进一步地，在s3中，选择能覆盖无机晶体模型sio2和caf2的的力场类型；优选的，所述力场类型为compass力场，compass力场可应用于无机晶体，且sio2和caf2均在该力场涵盖的范围里，使得每种原子、键都能合理分配合理的数据。

进一步地，在s4中，对s2所构建的模型进行结构优化时，采用的算法选自：smart、steepestdescent、conjugategradient、quasi-newton、abnr；收敛精度选自：coarse、medium、fine和ultra-fine；最大迭代次数可自行设置；

力场分配方法选自自动分配和手动分配；电荷分配方法选自usecurrent、chargeusingqeq、chargeusinggasteiger和forcefieldassigned；叠加方法分为ewald、atombased、groupbased、pppm。

静电项为ewald求和法，精度为0.001，范德华项采用atom-based求和法，选择本地服务器、选择并行运行的个数为8，设置好参数后，对模型进行结构优化。

优选的，选择算法为smart，选择收敛精度为fine，最大迭代次数为500，以保证优化之后的模型能够满足收敛需求，避免发生达到最大迭代次数之后，模型仍没达到收敛；

优选的，选择力场分配方法为自动分配，电荷分配方法为forcefieldassigned。

进一步地，在s5中，进行分子动力学计算设置的参数如下：

系综选自nve、nvt、npt、nph，优选为nvt、nve；

初始速度分配选自current、random，优选为random；

压力为0，温度为298k，时间步长为1fs，模拟时间为100ps，能量偏差为500000000；

控温法选自velocityscale、nose、andersen、berendsen、nhl，优选控温法为nose；

选择力场分配方法为力场自动分配、电荷分配方法为forcefieldassigned，静电项为ewald求和法，精度为0.001，范德华项采用atom-based求和法；选择本地服务器、并行运行的个数为8；设置好参数后，对结构优化后的模型进行分子动力学计算。

进一步地，在s6中，观察动力学运行之后的模型是否符合预期包覆的标准，若符合包覆的标准，则进行分子动力学分析。

其中，包覆的标准判断依据为：如果最终的模型层间距离不大于4a，结合能为负，且构象符合包覆的概念，则说明此模型达到了包覆的标准。

本发明的具体实施方式具有以下有益效果：

通过计算机对二氧化硅包覆氟化钙过程进行模拟，帮助实验者分析包覆后的结果，有效的节约实验资源，降低研发成本；

通过显示晶体表面、包覆环境以及模拟结果，使得用户对包覆所进行的过程更加的清晰明了。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明二氧化硅包覆氟化钙的研究方法的流程框图；

图2为本发明实施例1二氧化硅-氟化钙的model1的初始分子结构模型；

图3为本发明实施例1二氧化硅-氟化钙的model1结构优化处理后的界面处分子结构模型；

图4为本发明实施例1二氧化硅-氟化钙的model1动力学模拟后的界面处分子结构模型。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

实施例1

如附图1所示，一种基于materialsstudio的二氧化硅包覆氟化钙的模拟方法，本实施例以二氧化硅、氟化钙作为研究对象，具体包括如下步骤：

(1)搭建二氧化硅、氟化钙初始模型；

利用materialsstudio软件中的visualizer界面搭建二氧化硅、氟化钙分子结构模型，将构建好的模型进行晶面切割，其中，模型的层1、层3为二氧化硅，切割后可得到两种终端表面：o端和si-o，将o终端表面作为model1的层1、层3，将si-o终端表面作为model2的层1、层3，层2的上表层原子为f、ca混合表面，f和ca的数目均为100，下表面原子为f，数目为100；利用build中的buildlayer工具建立层状连接，且在界面间设置真空层，得到待计算的二氧化硅-氟化钙分子结构数据文件。初始结构模型中，model1：a＝b＝41a、c＝65a、α＝β＝90°、γ＝120°；model2：a＝b＝41a、c＝63a、α＝β＝90°、γ＝120°。各初始结构模型中，均含有ca900、f1800、si768、o1536，整体模型呈现电中性。

(2)对二氧化硅-氟化钙分子结构进行结构优化；

设置结构优化的参数，优化二氧化硅-氟化钙分子结构模型时采用forcite模块中的geometryoptimization任务，采用smart算法，energy＝0.001、force＝0.5、displacement＝0.015a，计算步数为500步，力场采用compass力场，电荷为forcefieldassigned，电荷群为力场自动分配，静电项为ewald求和法，精度为0.001，范德华项采用atom-based求和法，截断法采用cubicspline，截断半径为12.5a，键宽为1a，计算过程中采用longrangecorrection。计算结束后，得到经能量最小化处理后的二氧化硅-氟化钙分子结构数据文件。

(3)对优化处理后的吸附剂-吸附剂分子结构进行动力学计算；

设置动力学计算的参数，优化二氧化硅-氟化钙分子结构模型时采用forcite模块中的dynamics任务，首先采用正则系综，温度设置为297k，采用nose控温法，时间步长为1fs，时长为100ps，力场采用compass力场，电荷为forcefieldassigned，电荷群为力场自动分配，静电项为ewald求和法，精度为0.001，范德华项采用atom-based求和法，截断法采用cubicspline，截断半径为12.5a，键宽为1a，计算过程中采用longrangecorrection；然后采用微正则系综，温度设置为297k，采用nose控温法，时间步长为1fs，时长为100ps，力场采用compass力场，电荷为forcefieldassigned，电荷群为力场自动分配，静电项为ewald求和法，精度为0.001，范德华项采用atom-based求和法，截断法采用cubicspline，截断半径为12.5a，键宽为1a，计算过程中采用longrangecorrection；最后采用正则系综，温度设置为297k，采用nose控温法，时间步长为1fs，时长为1000ps，力场采用compass力场，电荷为forcefieldassigned，电荷群为力场自动分配，静电项为ewald求和法，精度为0.001，范德华项采用atom-based求和法，截断法采用cubicspline，截断半径为12.5a，键宽为1a，计算过程中采用longrangecorrection。

(4)对动力学处理后的模型进行动力学分析；

利用materialsstudio软件中forcite模块中的analysis提取动力学各指标参数，可得到角分布、角演化、浓度分布、密度、密度场以及输出各输出帧的状态参数信息。

(5)对二氧化硅-氟化钙分子结构的界面距离以及能量进行计算，获得距离与能量参数；

利用materialsstudio软件中sdviewer的distance对界面间的层间距离进行测量。

利用materialsstudio软件中forcite模块中的energy任务进行能量的计算，首先计算二氧化硅-氟化钙整体体系的能量，输出包含能量的数据文件，再将步骤(3)中得到的二氧化硅-氟化钙体系中的氟化钙删去，去除氟化钙之后进行能量计算，输出包含能量的数据文件，最后将步骤(3)中得到的二氧化硅-氟化钙体系中的二氧化硅删去，去除二氧化硅之后进行能量计算，输出包含能量的数据文件。

(6)通过计算得到二氧化硅-氟化钙之间的吸附能。

表1二氧化硅-氟化钙分子结构体系能量以及吸附能

利用materialsstudio软件中sdviewer的distance对界面间的层间距离的测量，可知model1上界面距离小于0a，体系中各原子迁移现象明显，表明表面原子结构模型充分驰豫。表面层ca原子的活性远大于f原子,更易与外界发生作用。在层2上层中，还发生了断层现象，下层仅有少量带正电荷的ca原子运动到层1的负电荷表面，层2上层原子迁移现象比下层激烈，表明上层更易发生作用；model2上下界面距离为2a，垂直于界面方向的界面层原子位置发生了变化，产生了原子纵向驰豫现象。caf2整体较为稳定，而sio2发生了较大程度的位置变化。sio2整体向界面处收缩。距离界面较近的原子层驰豫量较大，远离界面层的原子驰豫量较小。model1中layer2上层表面为正电荷表面，layer3下层表面为负电荷表面，界面原子之间的相互作用促使layer2、3相互靠近，相反，layer1、2则互相远离。

model2中，电荷理论却行不通。这可能是因为model1中界面间氧原子为未成键的悬挂状态，活性较高，电荷作用显著，易于与caf2发生作用。model2中界面处为o-si键和状态，界面比较稳定。

且如表1所示吸附能均为负值，表明吸附是放热过程，则吸附是稳定的。且model1的吸附能低于model2，说明model1更为稳定。因此，model1、model2均发生了吸附现象。

实施例2

如附图1所示，一种基于materialsstudio的二氧化硅包覆氟化钙的模拟方法，本实施例以二氧化硅、氟化钙作为研究对象，具体包括如下步骤：

(1)搭建二氧化硅、氟化钙初始模型；

利用materialsstudio软件中的visualizer界面搭建二氧化硅、氟化钙分子结构模型，将构建好的模型进行晶面切割，其中，模型的层1、层3为二氧化硅，切割后可得到两种终端表面：o端和si-o，将o终端表面作为model3的层1、层3，将si-o终端表面作为model4的层1、层3，层2的上表层原子为f，且数目为200，下表面原子为ca，且数目为100；利用build中的buildlayer工具建立层状连接，且在界面间设置真空层，得到待计算的二氧化硅-氟化钙分子结构数据文件。初始结构模型中，model3：a＝b＝41a、c＝65a、α＝β＝90°、γ＝120°；model4：a＝b＝41a、c＝63a、α＝β＝90°、γ＝120°。各初始结构模型中，均含有ca900、f1800、si768、o1536，整体模型呈现电中性。

(2)对二氧化硅-氟化钙分子结构进行结构优化；

(3)对优化处理后的吸附剂-吸附剂分子结构进行动力学计算；

(4)对动力学处理后的模型进行动力学分析；

(5)对二氧化硅-氟化钙分子结构的界面距离以及能量进行计算，获得距离与能量参数；

利用materialsstudio软件中sdviewer的distance对界面间的层间距离进行测量。

(6)通过计算得到二氧化硅-氟化钙之间的吸附能。

表2二氧化硅-氟化钙分子结构体系能量以及吸附能

利用materialsstudio软件中sdviewer的distance对界面间的层间距离的测量，可知model3下界面距离小于0a，进行几何结构优化和动力学后，表面原子结构模型充分驰豫。层2下层迁移现象明显，ca原子与层1上层易于发生作用。上层仅表面原子运动显著。仅有少量原子运动到层3下层，其中带正电荷的ca原子居多。层3向远离界面处迁移。；model4上下界面距离为2a，进行几何结构优化和动力学后，最终构型与model2类似。层2整体较为稳定，层1、3均向界面处收缩。model3中layer2上层表面为负电荷表面，layer3下层表面为负电荷表面，界面原子之间的相互作用促使layer2、3相互远离，相反，layer1、2则互相靠近。model4中，向界面处迁移。

且如表2所示吸附能均为负值，表明吸附是放热过程，则吸附是稳定的。且model3的吸附能低于model4，说明model3更为稳定。因此，model3、model4均发生了吸附现象。

实施例3

如附图1所示，一种基于materialsstudio的二氧化硅包覆氟化钙的模拟方法，本实施例以二氧化硅、氟化钙作为研究对象，具体包括如下步骤：

(1)搭建二氧化硅、氟化钙初始模型；

利用materialsstudio软件中的visualizer界面搭建二氧化硅、氟化钙分子结构模型，将构建好的模型进行晶面切割，其中，模型的层1、层3为二氧化硅，切割后可得到两种终端表面：o端和si-o，将o终端表面作为model1的层1、层3，将si-o终端表面作为model2的层1、层3，层2的上表层原子为f、ca混合表面，f和ca的数目均为100，下表层原子为f，且数目为100个；利用build中的buildlayer工具建立层状连接，且在界面间设置真空层，得到待计算的二氧化硅-氟化钙分子结构数据文件。初始结构模型中，model5：a＝b＝41a、c＝65a、α＝β＝90°、γ＝120°；model6：a＝b＝41a、c＝63a、α＝β＝90°、γ＝120°。各初始结构模型中，均含有ca900、f1800、si768、o1536，整体模型呈现电中性。

(2)对二氧化硅-氟化钙分子结构进行结构优化；

(3)对优化处理后的吸附剂-吸附剂分子结构进行动力学计算；

(4)对动力学处理后的模型进行动力学分析；

(5)对二氧化硅-氟化钙分子结构的界面距离以及能量进行计算，获得距离与能量参数；

利用materialsstudio软件中sdviewer的distance对界面间的层间距离进行测量。

(6)通过计算得到二氧化硅-氟化钙之间的吸附能。

表3二氧化硅-氟化钙分子结构体系能量以及吸附能

利用materialsstudio软件中sdviewer的distance对界面间的层间距离的测量，可知model5上界面距离小于0a，体系中各原子迁移现象明显，表面原子结构模型充分驰豫。下层仅有少量带正电荷的ca原子运动到层1的负电荷表面，层2上层原子迁移现象比下层激烈，表明上层更易发生作用；model6上下界面距离为2a，垂直于界面方向的界面层原子位置发生了变化，产生了原子纵向驰豫现象。caf2整体较为稳定，而sio2发生了较大程度的位置变化。sio2整体向界面处收缩。距离界面较近的原子层驰豫量较大，远离界面层的原子驰豫量较小。

且如表3所示吸附能均为负值，表明吸附是放热过程，则吸附是稳定的。且model5的吸附能低于model6，说明model5更为稳定。因此，model5、model6均发生了吸附现象。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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