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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
高纯石英玻璃耐热、耐蚀、热膨胀系数小，且具有优良的光学和电学性能，在高温多功能一体化材料中得到广泛应用。由于石英玻璃不像石英晶体那样具有有序的结构，其在服役条件下的结构和性能常常发生着一些特殊的变化。然而，产生这些特殊变化的机理目前尚未彻底弄清，其中一个最重要的原因就是实验方法和手段上的不足，如高温环境的获得、材料结构的在线测试与性能表征等。目前尽管有一些高温测试仪器和设备，但耗资巨大，也难免存在一些技术上或操作上的误差。分子动力学作为一种用来计算一个多体体系的平衡和传递性质的方法，与真实的实验极为相似，已成为分析材料微观结构和宏观性能的有力工具。近年来，人们在用分子动力学方法研究石英玻璃高温下的结构和性能方面，取得了一定的成效，但依旧存在一些亟待解决的题目，比如石英玻璃中空隙结构这一关键因素在高温下的演化规律及其对性能的影响、引起石英玻璃密度模拟结果偏高以及密度不规则性等行为的本质原因等。以往高温下的研究表明，模拟结果不仅取决于选择的势函数，还与模拟的过程和方法有关，这样，针对同一题目得出的结论有时不尽相同，甚至截然相反，以致难以弄清材料在高温下的特性及其本质。本论文针对高温下石英玻璃分子动力学模拟中的题目，从势函数的选择入手，计算分析了各种势函数在高温模拟中的适用性，探讨了原子电荷转移和系综选择等因素对模拟结果的影响，提出了一种较好的进行石英玻璃高温分子动力学模拟的方法，并在微结构演化和密度不规则性的研究中取得了新的进展。本论文的主要创新性成果可概括为以下三个方面：首先，计算分析了多体势在石英玻璃高温模拟中的局限性，确立了对势在高温模拟下的优先选择权，它比多体势更能体现石英玻璃高温下的微结构特点。采用基于第一性原理的COMPASS力场进行了石英玻璃的分子动力学研究，研究结果表明，该力场可以很好地模拟石英玻璃在较低温度下的键长、键角等微结构变化，并能较准确地计算常温下的力学性质，但由于其不能描述键的断裂，在高温的模拟中失去意义。其它多体势跟COMPASS力场一样，难以描述高温下的微结构演变，而对势可以很好的模拟石英玻璃高温下的自扩散等题目。BKS和Morse对势的计算结果对比表明，在高温模拟中可以优先选择Morse势。其次，探讨了原子电荷转移和系综选择因素在高温模拟中的作用，针对以往研究中密度结果偏高的题目，提出了“以合适的原子电荷保持最近邻结构、以NVT系综控制模型密度”的建模方法。采用Morse势的研究结果表明，原子所带电荷的大小在影响模型密度的同时，还在微观结构方面直接影响着原子的最近邻情况。以上方法的提出，不仅有效解决了在调整电荷时维持原子最近邻距离与保证模型密度之间的矛盾, 还可以很好的描述石英玻璃在长程结构上密度不均、存在较大空隙的结构。原子自扩散系数的计算结果显示了空隙结构在非晶材料性质研究中的重要作用。最后，忽略升温过程中的密度变化，以NVT系综研究石英玻璃在升温过程中的微结构演化，成功模拟了空隙结构在升温过程中的变化规律，为石英玻璃的不规则热膨胀行为提出了新的解释。计算结果分析表明，Si-Si距离和Si-O-Si键角的减小不是导致负热膨胀行为的直接原因，Si-O键的断裂与网络结构的重组仅是模型负热膨胀行为的诱因，也不是直接原因。模型的负热膨胀行为是由网络中中程或者长程上的结构特征变化引起的，较大空隙结构的存在和变化是主要的影响因素。升温过程中较大空隙结构被破坏进而被填充，或者生成半径较小的空隙，引起了负的热膨胀。该项工作提出了一种较好的进行石英玻璃高温分子动力学模拟的方法，有效解决了对势在描述石英玻璃中原子长程结构方面的不足题目，揭示了以往研究中石英玻璃密度结果计算偏高的本质原因，成功模拟了空隙结构及其在升温过程中的演化规律，并发现其在性能研究中的重要作用，为揭示非晶材料特性本质的原子尺度模拟提供了一个新的思路。 |
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