本文關(guān)鍵詞：基于自建力場的離子液體機械性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《吉林大學(xué)》 2015年

基于自建力場的離子液體機械性能研究

陳思言  

【摘要】：本課題為國家自然科學(xué)基金項目“微納流道內(nèi)聚合物刷與流體相互作用的多尺度模擬和實驗研究（51175223）”的一部分內(nèi)容。作為一種具有獨特理化特性的有機鹽類，離子液體引起了科研界與工業(yè)界的持續(xù)關(guān)注。鑒于計算機模擬研究的需要，我們開發(fā)了一款基于自建全原子力場框架的全自動力場開發(fā)器。在實踐中，這種基于量子力學(xué)計算的新型全原子力場取得了良好的計算效果。借助自建力場的幫助，我們采用分子動力學(xué)方法，對幾個在工業(yè)應(yīng)用中具有代表的離子液體體系進行了計算機模擬。基于模擬結(jié)果，我們對這些體系的流體結(jié)構(gòu)和以粘度為代表的流動性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究。我們發(fā)現(xiàn)，環(huán)境因素（溫度、壓力）與流體主觀因素（分子結(jié)構(gòu)與內(nèi)含雜質(zhì)）對上述機械性能存在影響。進而，我們對造成這些現(xiàn)象的力學(xué)機制進行了探討。由于離子液體高度的可設(shè)計性與相對較低的成本，離子液體在工業(yè)中正扮演著越來越重要的角色。鑒于離子液體在超潤滑、活性電極材料和機械操作流體等方面取得的成就，我們有理由相信，離子液體在機械領(lǐng)域的應(yīng)用必會日漸繁榮。因此，我們的研究具有較大的應(yīng)用價值與重要的科學(xué)意義。 具體而言，本文主要包括以下三個研究內(nèi)容： 1、在系統(tǒng)探討了主流分子力場的優(yōu)缺點之后，我們改進了現(xiàn)有力場的框架，開發(fā)出一種全自動的力場開發(fā)器。通過引入1-n作用、動態(tài)相角和計算電荷，我們大幅提高了分子力場的精度，使分子力學(xué)與量子力學(xué)的計算結(jié)果高度吻合。通過優(yōu)化力場開發(fā)流程、引入全新的構(gòu)象微擾方式，我們的力場開發(fā)器可以忽略分子結(jié)構(gòu)，為給定分子提供高精度力場，成為我們后續(xù)工作的有力保障。 2、為了模擬離子液體在染料敏化太陽能電池中的情況，基于自建力場，我們研究了烷基咪唑—六氟磷酸根離子液體與石墨烯的相互作用，發(fā)現(xiàn)了此類離子液體—納米碳材料復(fù)合物的流體結(jié)構(gòu)特點。通過研究，，我們發(fā)現(xiàn)，石墨烯板的間距和環(huán)境溫度對這類體系的流體結(jié)構(gòu)存在影響。其中，石墨烯板間距的影響是決定性的。此外，我們還發(fā)現(xiàn)，離子液體—納米碳材料復(fù)合物的形成是一種自組裝過程。而這種行為的觸發(fā)，并非是由于業(yè)界普遍認(rèn)為的π π作用。 3、為了模擬離子液體在機械潤滑中的情況，基于自建力場，我們研究了烷基咪唑—六氟磷酸根類離子液體在不同環(huán)境下的流體結(jié)構(gòu)和流動性能。在研究中，我們發(fā)現(xiàn)，離子液體的流體結(jié)構(gòu)受環(huán)境因素的影響較小。與之相反，對離子液體而言，溫度與壓力可以對以粘度為代表的流動性能造成顯著影響，其良好的溫粘性使其成為機械潤滑劑的理想選擇。此外，我們還發(fā)現(xiàn)，陽離子烷基鏈的長度也會對離子液體的流動性能產(chǎn)生影響。 相應(yīng)的，本文的創(chuàng)新點如下： 1、完成從量子力學(xué)計算開始的、具有良好自洽性的完整全原子力場的開發(fā)，并借助fortran和shell腳本語言，自主開發(fā)了一款可全自動運行的、特異性分子力場生成器。 2、對業(yè)界成功應(yīng)用近20年的分子力場框架進行修正，通過引入1-n相互作用，證明原有通用性全原子力場的適用性小于業(yè)界的普遍觀點，指出其許多運算誤差實際上是源于力場框架的缺陷而非力場參數(shù)本身的粗糙。 3、將這一自建的特異性全原子力場應(yīng)用到離子液體的研究之中，對離子液體與石墨烯相互作用、純凈離子液體相互作用進行模擬，發(fā)現(xiàn)了離子液體流體結(jié)構(gòu)關(guān)于石墨烯間距的依賴性和離子液體流動性能對溫度、壓力及分子結(jié)構(gòu)的依賴性。 這些研究都為離子液體在機械領(lǐng)域的進一步應(yīng)用給出指導(dǎo)性建議。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O561
【目錄】：

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