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分子动力学模拟钠硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构演化效应

袁伟 彭海波 杜鑫 律鹏 沈扬皓 赵彦 陈亮 王铁山

分子动力学模拟钠硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构演化效应

袁伟, 彭海波, 杜鑫, 律鹏, 沈扬皓, 赵彦, 陈亮, 王铁山
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  • 钠硼硅酸盐玻璃作为高放射废物玻璃固化体的候选材料之一,已有大量实验对该类玻璃开展了电子或重离子的辐照效应研究.然而,在理论计算与模拟方面的工作却很少,目前主要集中于重离子的辐照效应,对电子的辐照效应的模拟尚未见报道.本文利用分子动力学工具提出一种新的方法,以实现对电子辐照诱导的玻璃结构演化进行模拟.该方法基于实验中玻璃的结构变化特点,即实验中的拉曼结果已经证实: 在大剂量的电子辐照后的玻璃中存在分子氧的事实,由于这些分子氧不会与其他粒子发生相互作用,因而可以通过从体系中逐步地移除一定数量氧原子的方式,以达到模拟大剂量电子辐照的情形,进而得到电子辐照后的玻璃的结构信息.模拟结果显示: 随着移除氧原子的数量增加,玻璃中的SiOSi平均键角逐渐减小;而且玻璃中的小环数量会因氧的逐渐减少而逐渐增加;玻璃中部分[BO4]结构会转变为[BO3]结构,最终这种转变会达到饱和;大量移除氧之后,玻璃中的钠元素也出现明显的相分离.这些模拟辐照的玻璃结构特性能较好地与实验中的硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构变化符合.因此,本文提出的方法有望为通过分子动力学模拟硼硅酸盐玻璃的电子辐照效应提供新思路.
      通信作者: 王铁山, tswang@lzu.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:11505085,11505084)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:lzujbky-2015-68,lzujbky-2016-37)资助的课题.
    [1]

    Ewing R C, Weber W J, Clinard Jr F W 1995 Prog. Nucl. Energ. 29 63

    [2]

    Boizot B, Petite G, Ghaleb D, Reynard B, Calas G 1999 J. Non-Cryst. Solids 243 268

    [3]

    Ollier N, Boizot B, Reynard B, Ghaleb D, Petite G 2005 J. Nucl. Mater. 340 209

    [4]

    Jiang N, Silcox J 2004 J. Non-Cryst. Solids 342 12

    [5]

    Delaye J M, Ghaleb D 1996 Mat. Sci. Eng. B 37 232

    [6]

    Delaye J M, Ghaleb D 1997 J. Nucl. Mater. 244 22

    [7]

    Kieu L H, Delaye J M, Cormier L, Stolz C 2011 J. Non-Cryst. Solids 357 3313

    [8]

    Delaye J M, Peuget S, Calas G, Galoisy L 2014 Nucl. Instrum. Meth. B 326 256

    [9]

    Kilymis D A, Delaye J M 2014 J. Non-Cryst. Solids 401 147

    [10]

    Woodcock L V 1976 J. Chem. Phys. 65 1565

    [11]

    Soules T F 1979 J. Chem. Phys. 71 4570

    [12]

    Soules T F, Varshneya A K 1981 J. Am. Ceram. Soc. 64 145

    [13]

    Stoch P, Stoch A 2015 J. Non-Cryst. Solids 411 106

    [14]

    Nan S, Yuan W, Wang T S, Peng H B, Chen L, Du X, Zhang D F, L P 2016 High Pow. Laser Part. Beam 28 40 (in Chinese) [南帅, 袁伟, 王铁山, 彭海波, 陈亮, 杜鑫, 张多飞, 律鹏 2016 强激光与粒子束 28 40]

    [15]

    Zhong J, Bray P J 1989 J. Non-Cryst. Solids 111 67

    [16]

    Yun Y H, Bray P J 1978 J. Non-Cryst. Solids 30 45

    [17]

    Dell W J, Bray P J, Xiao S Z 1983 J. Non-Cryst. Solids 58 1

    [18]

    Todorov I T 2006 J. Mater. Chem. 16 1911

    [19]

    Roux S L, Jund P 2010 Comp. Mater. Sci. 49 70

    [20]

    King S V 1967 Natuer 213 1112

    [21]

    Chen L, Wang T S, Zhang G F, Yang K J, Peng H B, Zhang L M 2013 Chin. Phys. B 22 126101

    [22]

    Chen L, Zhang D F, L P, Zhang J D, Du X, Yuan W, Nan S, Zhu Z H, Wang T S 2016 J. Non-Cryst. Solids 448 6

    [23]

    Imai H, Arai K, Isoya J, Hosono H, Abe Y, Imagawa H 1993 Phys. Rev. B 48 3116

    [24]

    Yang K J, Wang T S, Zhang G F, Peng H B, Chen L, Zhang L M, Li C X, Tian F, Yuan W 2013 Nucl. Instrum. Meth. B 307 541

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  • [1] 彭海波, 刘枫飞, 张冰焘, 张晓阳, 孙梦利, 杜鑫, 王鹏, 袁伟, 王铁山, 王建伟. Xe离子束辐照硼硅酸盐玻璃和石英玻璃效应对比研究. 物理学报, 2018, 67(3): 038101. doi: 10.7498/aps.67.20172117
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    [10] 张程宾, 程启坤, 陈永平. 分形结构纳米复合材料热导率的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2014, 63(23): 236601. doi: 10.7498/aps.63.236601
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-01
  • 修回日期:  2017-03-16
  • 刊出日期:  2017-05-20

分子动力学模拟钠硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构演化效应

  • 1. 兰州大学核科学与技术学院, 兰州 730000;
  • 2. 兰州大学, 特殊功能材料与结构设计教育部重点实验室, 兰州 730000
  • 通信作者: 王铁山, tswang@lzu.edu.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:11505085,11505084)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:lzujbky-2015-68,lzujbky-2016-37)资助的课题.

摘要: 钠硼硅酸盐玻璃作为高放射废物玻璃固化体的候选材料之一,已有大量实验对该类玻璃开展了电子或重离子的辐照效应研究.然而,在理论计算与模拟方面的工作却很少,目前主要集中于重离子的辐照效应,对电子的辐照效应的模拟尚未见报道.本文利用分子动力学工具提出一种新的方法,以实现对电子辐照诱导的玻璃结构演化进行模拟.该方法基于实验中玻璃的结构变化特点,即实验中的拉曼结果已经证实: 在大剂量的电子辐照后的玻璃中存在分子氧的事实,由于这些分子氧不会与其他粒子发生相互作用,因而可以通过从体系中逐步地移除一定数量氧原子的方式,以达到模拟大剂量电子辐照的情形,进而得到电子辐照后的玻璃的结构信息.模拟结果显示: 随着移除氧原子的数量增加,玻璃中的SiOSi平均键角逐渐减小;而且玻璃中的小环数量会因氧的逐渐减少而逐渐增加;玻璃中部分[BO4]结构会转变为[BO3]结构,最终这种转变会达到饱和;大量移除氧之后,玻璃中的钠元素也出现明显的相分离.这些模拟辐照的玻璃结构特性能较好地与实验中的硼硅酸盐玻璃电子辐照诱导的结构变化符合.因此,本文提出的方法有望为通过分子动力学模拟硼硅酸盐玻璃的电子辐照效应提供新思路.

English Abstract

参考文献 (24)

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