[发明专利]一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法

权利要求书

1.一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1，若纳米材料不含有官能团则直接建立预选纳米材料的分子动力学模型；反之建立预选纳米材料的分子动力学模型，用ReaxFF反应力场模拟材料在NPT系统下的淬火；

步骤2，根据步骤1中的分子动力学模型，建立对应尺寸无水C-S-H模型；具体为：

步骤2.1，根据由C-S-H模型建立无水C-S-H模型，并建立无水C-S-H模型的初始单元；

步骤2.2，随机删除无水C-S-H模型的硅链，以符合Q0＝11.6％，Q0＝65.1％，Q2＝23.3％的Qn分布；无水C-S-H模型中，Ca-Si比值为1.67；

步骤2.3，用巨正则蒙特卡罗方法将密度为1g/cm³的水分子吸附到无水C-S-H模型中；

步骤3，将预选纳米材料的分子动力学模型与无水C-S-H模型组合，即分别在x、y和z轴上展开单元，然后将预选纳米材料片嵌入C-S-H中；得到不同参数下的复合材料分析模型；

步骤4，采用非平衡反向分子动力学方法对复合材料模型进行热传导分析；具体为：

利用反向非平衡分子动力学模拟热传导，在300k下，系统在300K的正则系综中弛豫0.1ns以达到平衡，将模型沿热流方向平均划分100份，热源位于模型两端，冷源位于模型中间，通过在热源和冷源之间交换原子的动能，即热源中最热的原子和冷源中最冷的原子，将产生温度梯度，根据热力学第二定律，该模型的内能由热源向冷源连续传递，每1000步交换一次，整个进程耗时2.5ns，产生热流的公式如式(1)所示；

其中，N_tranfers为交换的总数，m是原子质量，v_h和v_c分别为最热原子和最冷原子的速度，t_tranfers是传热的时间；

各个部分的质心温度通过式(2)计算；

其中，T_i表示第i层中所有原子的温度，N是第i-份中的原子数，k_B是玻尔兹曼常数，p_j和m_j分别表示j原子的动量和质量；

步骤5，计算预选纳米材料在C-S-H衬底下的导热系数；

分别用反向非平衡分子动力学方法计算不同长度模型的导热系数并进行线性拟合，结合Boltzmann方程以及Matthiessen准则，预测无限大尺寸下纳米材料的导热系数，根据公式(4)计算C-S-H沿不同晶向的导热系数；

其中，κ^-1为样品长度为L nm时的导热系数，l为声子的平均自由程；

步骤6，计算各个模型下对应纳米材料导热系数的变化；

步骤7，对比每种参数对应的纳米材料用于增强水泥材料导热性能的效率，数值从大到小排序；

步骤8，对步骤7得到的分析结果进行准确性验证及分析；

具体为：根据Boltzmann方程，每个声子模的导热系数如式(6)所示；

其中，C_j，v_j和τ_j分别是每种声子模的比热、声子群速度和声子弛豫时间；

通过对比实验测量和数值计算值验证模型、力场和计算方法用来判断C-S-H的导热系数的准确性；

声子态密度根据每个原子轨道的速度自相关函数的Fourier变换计算如式(7)所示；

P(ω)指每个频率下振动的能量，ω为振动频率，v_j(t)表示时间t时原子j的速度，t_max为采样时间；

纳米增强相材料和水泥的界面结合能总体变化通过下式计算，如式(8)所示；

U_Bind＝-(U_Total-U_GBN-U_C-S-H)    (8)；

式中，U_Total为整个系统的总势能，U_GBN和U_C-S-H分别为单独纳米材料和C-S-H的势能；

步骤9，确定最适合的水泥导热性能增强相。