[发明专利]一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法

权利要求书

1.一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：运用Material Studio建立初始模型，设置原子分组和电荷数；

步骤二：运用lammps编写脚本，模拟二氧化硅的熔融过程；

所述步骤二包括以下步骤：

选取模拟过程单位，设置周期性边界条件及截断半径；

从晶态SiO₂制备无定型二氧化硅的步骤为：固定H₂O分子和O₂分子坐标，控制系统的温度和压强，经过两次降温获得非晶态SiO₂模型，充分弛域后获得稳定结构；

制备无定型二氧化硅过程，选用Morse函数描述SiO₂原子间相互作用，

其中，为Si原子、O原子中任意两个原子间作用力，D₀、γ为Morse势函数作用参数，R_ij为Si原子、O原子、H原子中任意两个原子间距离，R₀为截断半径，e为2.7182；

通过计算非晶态SiO₂样本的径向分布函数，描述样本的径向分布函数曲线；将样本的系统RDF第一个波峰的位置以及Si-O第一谷和第二峰的位置与实验数据进行对比；

步骤三：设置模拟参数，模拟水氧在无定型二氧化硅中的扩散过程；

所述步骤三包括以下步骤：

读取完成熔融过程的data文件，选用Lennard-Jones势函数描述原子间相互作用：

其中，u_LJ(r_ij)为Si原子、O原子、H原子中任意两原子间短程作用力，ε、σ为L-J势函数参数，r_ij为Si原子、O原子、H原子中任意两个原子间质心间距离，r_c为截断半径；

远程作用力用库仑力表示：

其中，E表示长程库仑力，C为长程作用参数，q_i、q_j为Si原子、O原子、H原子中任意两个原子电量；

任意两原子之间作用势函数参数采用Lorentz-Berthelot混和规则，即ε_ij＝ε_i¹²ε_j¹²，σ_i、ε_i、σ_j、ε_j为同一种原子间作用势参数，σ_ij、ε_ij为Si原子、O原子、H原子中任意两个原子间的作用势参数；分别在1000℃、1100℃、1200℃、1300℃下模拟水氧在无定型二氧化硅中的扩散；

步骤四：数据处理与分析；

所述步骤四包括以下步骤：

由步骤三得到水氧在无定型二氧化硅的均方位移随时间的变化关系，扩散系数使用Einstein方法表述为：

其中，D为扩散系数，r_i(t)为t时刻原子位置，并且对同一类原子进行平均值计算，r_i(0)为初始时刻原子位置。

2.根据权利要求1所述的水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：

运用Material Studio软件，导出α-SiO₂单胞模型，建立超胞，在竖直向上的Z方向两端表面Si原子连接O-H键，使Si原子价态饱和，在Z方向扩充区域并放置水分子和氧气分子，建立扩散初始构型，并设置SiO₂中Si原子、O原子、O-H中H原子、水分子中O原子和水分子中H原子的电荷并导出data文件。

3.根据权利要求1所述的水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法，其特征在于，所述步骤二中，模拟过程单位是real，设置周期性边界条件，截断半径为

4.根据权利要求1所述的水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法，其特征在于，所述步骤二中，从晶态SiO₂制备无定型二氧化硅的步骤为：固定H₂O分子和O₂分子坐标，首先在NVT系综下，系统被加热到4000K后，经25K/ps的淬火速率使温度从4000K下降到300K，然后在NPT系综下，经过75ps的加热使模型温度达到4000K，在模型充分熔融形成恒定尺寸后，在NPT系综下经25K/ps的淬火速率使温度降到300K；整个过程采用0.5fs的时间步长，压强保持在1.013×10⁵Pa。