超細銅粉由于其優(yōu)異的導電性能、低價易得、化學穩(wěn)定性較好等特點,使之應用非常廣泛,被稱為21世紀材料。蒸發(fā)-冷凝法制備超細銅粉具有粒子純凈度高、粒度分布窄且粒徑可控、粉體易收集、制備工序少和生產效率高等特點。蒸發(fā)-冷凝制備超細銅粉的實驗研究表明：蒸發(fā)溫度和真空度是制備超細銅粉的兩個關鍵因素。為了改善真空蒸發(fā)-冷凝制備超細銅粉的工藝參數,本文采用分子動力學模擬方法對真空揮發(fā)冷凝制備超細銅粉進行了相關研究,并進行了實驗驗證。首先采用Materials Explorer6.0分子動力學軟件包,模擬了真空條件下(10Pa),體系粒子數分別為72、108、256、500和864個銅原子體系在473-2073K溫度范圍內的變化過程。研究發(fā)現：真空條件下,隨著體系內原子數的增加,體系的熔化溫度不斷升高；當體系的Cu原子數增加到500個以后,體系的熔化溫度趨于穩(wěn)定介于1357-1373K之間,這與Cu的實驗測得的熔化溫度1357K十分接近。從體系內能與溫度之間的關系可知：體系處于標準大氣壓(1atm)下能量發(fā)生躍變的溫度區(qū)間比真空下普遍偏高,即熔化溫度升高。采用Material Studio程序包中CASTEP (Cambridge Sequential Total Energy Package)模塊模擬了真空條件下(10Pa),銅原子在273-1573K溫度范圍內的變化情況。結果表明：體系在1273K-1373K溫度區(qū)間發(fā)生了明顯變化,從固相轉變到了液相；由電子態(tài)密度可知,銅原子間的態(tài)密度由4s,4p和3d軌道電子提供,3d軌道的能量高于4s和4p軌道總和。所以銅原子間的雜化作用主要來自于其3d軌道的貢獻。用Material Studio程序包中Forcite模塊模擬了真空(10Pa)和100KPa條件下,溫度為1473～2073K銅體系的變化情況。結果表明：過渡區(qū)厚度與溫度大概呈線性關系,且隨溫度的升高而增加；相同溫度下,真空條件下的過渡區(qū)厚度均大于常壓條件；由不同壓力下濃度隨溫度的變化趨勢可知：當溫度從1773K升溫至1873K后,真空(10Pa)和100KPa下的z軸方向尺寸差距特別大,故在這一溫度區(qū)間真空體系下發(fā)生了相變過程,即銅在真空條件下(10Pa)的沸點居于1773～1873K之間,這比常壓下的沸點2833K低了約1000K。利用Material Studio程序包中Forcite模塊模擬了真空(10Pa)條件下,溫度為1473～2073K范圍內的銅納米液滴的變化情況。模擬結果表明：隨著模擬溫度的升高,進入氣相的分子越來越多,由于流體各向同性,使液滴最終接近球形。當溫度從1773K升溫至1873K后,液滴的直徑發(fā)生明顯變小。這是因為體系在這一溫度區(qū)間發(fā)生了從液相到氣相的轉變過程,此時會有大量蒸氣分子從液滴溢出轉變?yōu)闅庀喾肿?從而導致液滴變小。在真空度為10Pa,加熱溫度為1773～1873K,保溫時間為60min,冷卻水流量為150kg/h的條件下制備了超細銅粉。研究結果發(fā)現：制備的超細銅粉純度達到了1號純銅的國家標準,CuO、Cu2 O含量很少。超細銅粉結構主要為面心立方結構(fcc)。
【學位單位】：昆明理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TG146.11;TB383.3
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 文獻綜述
    1.1 超細銅粉的制備方法簡介
        1.1.1 固相法制備超細銅粉研究進展綜述
        1.1.2 液相法制備超細銅粉研究進展綜述
        1.1.3 氣相法制備超細銅粉研究進展綜述
    1.2 關于銅的分子動力學模擬國內外研究現狀
    1.3 選題意義和課題研究內容
        1.3.1 選題意義
        1.3.2 研究內容
    1.4 論文的特色與創(chuàng)新之處
第二章 理論基礎
    2.1 分子動力學模擬的研究發(fā)展進程
    2.2 分子動力學原理
        2.2.1 分子動力學的基本原理和基本方程
        2.2.2 Hamilton運動方程的求解
        2.2.3 邊界條件
        2.2.4 系綜原理
    2.3 原子間的相互作用勢
        2.3.1 對勢
        2.3.2 多體勢
        2.3.3 EAM理論
    2.4 控溫與控壓方法
        2.4.1 溫度控制方法
        2.4.2 壓力控制方法
    2.5 界面及界面現象
    2.6 靜態(tài)結構性質
        2.6.1 均方位移及自擴散系數
        2.6.2 徑向分布函數g（r）及配位數
        2.6.3 速度自相關函數
    2.7 本章小結
第三章 ME分子動力學模擬真空下銅的熔化過程
    3.1 模擬方法
    3.2 擴散性質的模擬
        3.2.1 均方位移（MSD）的計算
        3.2.2 自擴散系數的計算
        3.2.3 計算自擴散激活能及指前因子
    3.3 密度的計算
    3.4 徑向分布函數的計算
        3.4.1 徑向分布函數及配位數的計算
    3.5 不同溫度下的原子位形
    3.6 熱力學性質的模擬
        3.6.1 內能函數曲線
        3.6.2 體系內能與體積
    3.7 本章小結
第四章 采用從頭算分子動力學模擬銅的熔化過程
    4.1 模擬過程
    4.2 徑向分布函數及配位數
        4.2.1 徑向分布函數（RDF）
        4.2.2 配位數（CN）
        4.2.3 靜態(tài)結構因子
    4.3 分波態(tài)密度（PDOS）
    4.4 速度自相關函數（VACF）
    4.5 本章小結
第五章 銅的氣-液界面微觀特性的分子動力學模擬研究
    5.1 蒸發(fā)-冷凝過程的分子動力學模擬研究
        5.1.1 氣-液界面特性分析
    5.2 控制條件和方法
        5.2.1 積分步長的選取
        5.2.2 截斷半徑的選取
    5.3 氣液界面結構
        5.3.1 氣-液界面密度分布
        5.3.2 氣-液界面過渡區(qū)的溫度分布
        5.3.3 氣-液界面層的動能分布
        5.3.4 氣-液界面層厚度隨溫度的變化
    5.4 不同壓力下的濃度對比
    5.5 麥克斯韋速率分布曲線
    5.6 蒸發(fā)系數的計算
    5.7 降溫過程模擬
        5.7.1 模擬體系的建立
        5.7.2 模擬結果與討論
    5.8 本章小結
第六章 銅納米液滴蒸發(fā)、冷凝過程的分子動力學模擬
    6.1 控制條件和模擬方法
    6.2 擴散性質的模擬
        6.2.1 均方位移的計算（MSD）
        6.2.2 自擴散系數的模擬計算
    6.3 徑向分布函數
    6.4 液滴的大小隨溫度的變化
        6.4.1 800個銅原子液滴的位形
        6.4.2 14896個銅原子液滴的位形
    6.5 液滴的大小隨時間的變化
    6.6 納米液滴冷卻、凝固過程的分子動力學模擬
        6.6.1 冷凝過程擴散性質的模擬
            6.6.1.1 均方位移的計算（MSD）
            6.6.1.2 自擴散系數的計算
    6.7 本章小結
第七章 真空蒸發(fā)-冷凝制備銅粉的實驗研究
    7.1 實驗基本原理及設備
        7.1.1 實驗原理
        7.1.2 實驗設備、原料
    7.2 實驗步驟
    7.3 實驗現象及過程
        7.3.1 銅煙和銅蒸發(fā)速率的變化規(guī)律
        7.3.2 超細銅粉的沉積過程及沉積狀態(tài)
    7.4 實驗結果和分析
        7.4.1 銅粉的顆粒形貌分析
        7.4.2 銅粉的化學成分分析
        7.4.3 超細銅粉的物相分析
    7.5 本章小結
第八章 結論與展望
    8.1 結論
    8.2 展望
致謝
參考文獻
附錄 攻讀博士期間發(fā)表論文

【參考文獻】

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本文編號：2876831