基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料的智能设计方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010528479.1 (22)申请日 2020.06.11 (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼2 号 (72)发明人 蒋金洋卢立群张宇王立国 王凤娟 (74)专利代理机构 南京众联专利代理有限公司 32206 代理人 雷夕娟 (51)Int.Cl. G16C 20/20(2019.01) G16C 20/40(2019.01) G16C 60/00(2019.01) C04B 7/02(2006.01) C04B 7/36(2006.0。

2、1) (54)发明名称 一种基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C- S-H凝胶复合材料的智能设计方法 (57)摘要 本发明涉及本发明公开了一种基于分子动 力学理论的氧化石墨烯/水化硅酸钙 （CSH） 凝 胶复合材料的智能设计方法。 通过分子动力学计 算， 能够量化氧化石墨烯/CSH纳米复合材料的 结构、 动力学和力学性能， 而结构参数改变时， 其 复合材料相应的各性能的演变亦能够迅速得到， 且能够从原子尺度刨析结构和性能之间的内在 联系， 基于此， 能够达到迅速有效、 低成本材料定 向设计的目的。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 111899806 A 2020.11.06 CN 1。

3、11899806 A 1.一种基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料的智能设计方法， 其特 征在于， 设计方法基于分子动力学理论， 力场为经验力场； 模型由两部分组成： C-S-H凝胶和 氧化石墨烯。 2.根据权利要求1所述的基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料的智 能设计方法， 其特征在于， 所述的分子动力学理论为基于牛顿经典力学的经典分子动力学。 3.根据权利要求1所述的基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料的智 能设计方法， 其特征在于， 所述的力场的基本形式如公式1所示： EtotalEbond+Eangle+Etorsion+Evdw。

4、+Ecoul 公式1 上述式中， Etotal代表体系的总能量； Ebond表示所有成键原子间的相互作用势能； Eangle表 示分子中所有键角对体系能量的贡献； Etorsion代表结构的扭曲势， 表示旋转时的能量变化； 计算方式皆采用谐振子模型， 最后两项为非键项， 分别为范德华势能Evdw和库仑势能Ecoul, 分别通过12-6Lennard-Jones公式和电荷间库伦公式计算， 如公式2所示； 其中， q代表原子 的电荷数， r表示原子之间的距离， 和 分别代表能量井深和原子直径，0为真空介电常数。 4.根据权利要求1所述的基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料的智 能。

5、设计方法， 其特征在于， 所述的氧化石墨烯的力场参数从CVFF经验力场中提取， C-S-H凝 胶的力场参数从ClayFF经验力场中提取。 5.根据权利要求1所述的基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料的智 能设计方法， 其特征在于， 所述的C-S-H凝胶为波特兰水泥水化的主要产物， 是水泥水化胶 凝相的主体， 决定了水泥混凝土材料中各相的胶结， 最终影响材料力学性能和耐久性能。 6.根据权利要求1所述的基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料的智 能设计方法， 其特征在于， 所述的C-S-H凝胶模型选用调整后的托贝莫来石晶体代替， 所 述的C-S-H凝胶通过改变硅。

6、链聚合度、 Ca/Si比和水含量以实现和现实情况相符的结构参数 变化。 7.根据权利要求1所述的基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料的智 能设计方法， 其特征在于， 所述的氧化石墨烯以纳米尺度分散于溶液， 且与C-S-H凝胶发生 相互作用； 氧化石墨烯所含官能团种类有羟基、 羧基、 环氧基； 所述的氧化石墨烯， 通过改变 尺寸、 氧化率、 官能团种类以实现和现实情况符的结构参数变化。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111899806 A 2 一种基于分子动力学理论的氧化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料 的智能设计方法 技术领域 0001 本发明涉及一种基于分子动力学理论的氧。

7、化石墨烯/C-S-H凝胶复合材料的智能 设计方法， 属于建筑材料领域。 背景技术 0002 水泥混凝土是建造公路、 桥梁、 住宅、 隧道等的主要材料。 目前传统的水泥 不能满 足不同环境下的使用要求。 面对传统水泥混凝土强度低、 延性和耐久性差 的问题， 发现通 过内掺氧化石墨烯能够极大提升混凝土的韧性和抗开裂能力。 0003 在水泥基材料搅拌的过程中， 可将氧化石墨烯掺入， 让其充分分散且参与水 泥水 化与水泥水化产物相互作用。 通过上述方法， 水泥基材料的强度和韧性都有 显著的提升。 但是， 目前其工程应用极少， 除了成本原因外， 对氧化石墨烯掺杂 机理理解的缺乏是一个 关键因素， 这导致。

8、水泥基材料配合比的选择， 氧化石墨烯 片尺寸、 官能团等调控都较为盲 目。 而限制理解纳米掺杂机理的主要因素和实验 检测设备的局限有关， 当前的实验检测手 段难以从本质上(原子尺度)揭示实验 参数和材料性能的本质联系， 导致实验上配合比设 计费事费力， 且难以取得突破 性进展。 0004 对于原子尺度的研究， 分子动力学理论可提供有力的支持。 分子动力学理论 以运 动的为模拟对象， 采用基于密度泛函计算的分子间相互作用函数模拟微粒之 间的力的关 系。 分子动力学能够完成对氢氧化物、 硅铝粘土相准确地描述， 弥补 了实验中对原子、 分子 尺度难以探及的缺陷。 0005 在分子动力学计算中， 力场。

9、确定和初始模型建立是最为关键的两个环节。 力场描 述了体系中驱动原子运动的势能， 通过牛顿第二定律转化为每个原子运动的加速度， 在给 定初始位置 （在初始模型中给出） 和速度的情况下， 便能够基于牛顿第一定律计算出每个原 子在每个时间点时的位置坐标。 发明内容 0006 本发明的目的： 通过分子动力学计算， 能够量化氧化石墨烯/C-S-H纳米复合材料 的结构、 动力学和力学性能， 而结构参数改变时， 其相应的复合材料各性能的演变亦能够迅 速得到， 且能够从原子尺度刨析结构和性能演变之间的内在关系， 基于此， 能够达到有效、 快速且低成本材料设计的目的。 0007 本发明的上述目的是通过以下方案。

10、予以实现的： 设计方法基于分子动力学理论， 力场为与体系良好匹配的力场， 即ClayFF和CVFF力场； 模型由两部分组成： C-S-H凝胶和氧化石墨烯， 如图1b所示。 0008 所述的分子动力学方法为基于牛顿经典力学的经典分子动力学。 力场的基本形式 如公式1所示， 包括原子间的键能， 范德华力作用和长程库仑力作用。 0009 EtotalEbond+Eangle+Etorsion+Evdw+Ecoul 公式1 说明书 1/4 页 3 CN 111899806 A 3 上述式中， Etotal代表体系的总能量； Ebond表示所有成键原子间的相互作用势 能； Eangle 表示分子中所有键。

11、角对体系能量的贡献； Etorsion代表结构的扭曲势， 表 示旋转时的能量变 化； 计算方式皆采用谐振子模型， 最后两项为非键项， 分别为 范德华势能Evdw和库仑势能 Ecoul,分别通过12-6Lennard-Jones公式和电荷间库伦 公式计算， 如公式2所示； 其中， q代 表原子的电荷数， r表示原子之间的距离， 和 分别代表能量井深和原子直径， 0为真空介 电常数。 0010 氧化石墨烯的力场参数从CVFF经验力场中提取， C-S-H凝胶的力场参数从ClayFF 经验力场中提取。 0011 C-S-H凝胶为波特兰水泥水化的主要产物， 是水泥水化胶凝相的主体， 决定了水泥 混凝土材。

12、料中各相的胶结， 最终影响材料力学性能和耐久性能。 C-S-H凝胶模型选用调整后 的11托贝莫来石晶体代替， 这是因为二者有着非常相近的层状结构、 钙硅层结构、 元素组 成以及含量比， 可通过调整托贝莫来石晶体的硅链聚合度、 Ca/Si比和水含量， 获得较为真 实的C-S-H凝胶模型， 可以通过改变硅链聚合度、 Ca/Si比和水含量以实现和现实相对应的 结构参数变化。 0012 氧化石墨烯可纳米尺度分散于溶液， 且与C-S-H凝胶发生相互作用。 氧化石墨烯含 有官能团种类有羟基、 羧基、 环氧基。 可以通过改变氧化石墨烯的尺寸、 氧化率、 官能团种类 以实现和现实相对应的结构参数变化。 001。

13、3 本发明具有以下有益效果： 本发明方法能够从原子尺度透析氧化石墨烯和C-S-H凝胶复合材料的结构、 动力学和 力学性能， 而结构参数改变时， 其相应的复合材料各性能的演变亦能够迅速得到， 且能够从 原子尺度刨析结构和性能演变之间的内在关系， 基于此， 能够达到有效、 快速且低成本材料 设计的目的。 从本质出发实现材料设计的目的， 且人力、 物力等成本极低。 附图说明 0014 图1 （a） 为11 tobermorite分子结构示意图。 0015 图1 （b） 为C-S-H凝胶/氧化石墨烯复合材料。 0016 图2为C-S-H凝胶/氧化石墨烯界面结合能。 0017 具体实施方式： 为了加深对。

14、本发明的理解， 下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明。 0018 下面结合具体实例， 进一步阐明本发明， 应理解这些实例仅用于说明本发明而不 用于限制本发明的范围， 在阅读了本发明之后， 本领域技术人员对本发明的各种等价形式 的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 0019 参见图1 （a） 、 图1 （b） 及图2； 实施例1 C-S-H凝胶模型： 根据真实C-S-H凝胶的实验表征结果， 所建立的C-S-H凝胶模型的具体 结构参数为， 硅链聚合度： Q0=10%， Q1=67%， Q2=23%， Ca/Si比为1.69， 最终密度为2.56g/cm3， 说明书 2/4 页 4 CN。

15、 111899806 A 4 最后获得的C-S-H的化学式(CaO)1.69(SiO2)(H2O)1.75。 晶胞含有144个钙原子， 85个硅原子和 236个水分子和羟基， 模型的晶体学参数为： a =21.6， b =22.52， c =23.13， = = 90 。 0020 氧化石墨烯模型： 晶体参数为， a =19.68， b =17.04， c =3.4， = = 90 ， 氧 化率为20%， 羟基： 羧基： 环氧基=1： 2： 2。 0021 计算过程： 该模拟计算过程在LAMMPS （大规模分子/原子模拟器） 上进行。 X、 Y、 Z三 个方向均设置周期性边界， 系统温度选为3。

16、00K， 时间步长为1fs。 每个原子的初速度根据初 始温度随机产生， 使用Verlet算法计算原子下一个时刻的位置， 长程力截断半径为10 。 模 拟过程分三步。 首先， 对结构进行能量优化； 然后， 在1atm的等温等压综系 （NPT） 下， 让整个 体系运行1000ps， 达到整个结构的平衡； 然后， 在正则综系 （NVT） 下继续运行1000ps。 在这个 过程中， 每1ps输出一次原子坐标， 总共输出原子坐标帧数为2000帧， 基于此进行结构分析。 最后， 在对结构施加0.0008/ps的拉伸应变， 研究其力学性能。 0022 实施例2 C-S-H模型:与例1相同。 0023 不含氧。

17、化石墨烯 计算过程： 与例1相同。 0024 实施例3 C-S-H模型:与例1相同。 0025 氧化石墨烯模型： 仅改变氧化率， 为10%。 0026 计算过程： 与例1相同。 0027 实施例4 C-S-H模型： 仅改变Ca/Si比为1。 0028 氧化石墨烯模型： 与例1相同 计算过程： 与例1相同。 0029 对实施例1-4所获得的计算结果经过分析后可得到： 改变材料的结构参数， 性能也相应变化， 通过本研究可以揭示结构和性能之间的内在 联系， 仅以纳米复合材料的界面为例， 给出以下数据， 发现界面粘结以Ca-O离子键和氢键为 主， 其数目的改变影响界面结合能， 进而导致界面力学性能的演。

18、变。 可以通过调节界面化学 键的数目和种类， 寻找界面刚度和柔度平衡， 达到定向设计材料的目的。 0030 表1为C-S-H/氧化石墨烯界面化学键数目情况， 参见图2； 案例1案例2案例3案例4 Ca-O离子键40252305355 氢键97155769 表1 表2为C-S-H/氧化石墨烯力学性能情况； 案例1案例2案例3案例4 抗拉强度988 MPa232MPa812 MPa955 MPa 弹性模量22.3 GPa12.1 GPa20.6 GPa21.3 GPa 破坏应变0.390.110.380.38 说明书 3/4 页 5 CN 111899806 A 5 表2 最后说明的是， 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案。 若本领域普通技术人员对 本发明的技术例进行修改或等同替换， 而不脱离本发明的宗旨， 其均应涵盖在本发明的权 利要求范围中。 0031 本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段， 还包括 由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。 本发明的未尽事宜， 属于本领域技术人员的 公知常识。 说明书 4/4 页 6 CN 111899806 A 6 图1(a) 图1(b) 图2 说明书附图 1/1 页 7 CN 111899806 A 7 。