【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于天然氣水合物和冰納米級(jí)測(cè)試方法，具體涉及基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的相變材料的納米壓痕模量和硬度的計(jì)算方法。
技術(shù)介紹
1、天然氣水合物和冰均為水分子組成的晶體物質(zhì)，區(qū)別在于天然氣水合物晶體結(jié)構(gòu)中水分子組成的空穴被天然氣分子，如甲烷和乙烷等占據(jù)，而冰晶體中只有水分子。天然氣水合物和冰廣泛存在于地球內(nèi)部和表層(如大陸邊緣的海底沉積物層、永久凍土地帶和極地)和地外星球(如泰坦星)。天然氣水合物不僅是潛在的能源物質(zhì)，而且其和冰均與行星演化，氣候變化，地質(zhì)災(zāi)害等相關(guān)。天然氣水合物和冰力學(xué)性質(zhì)測(cè)試在天然氣水合物的勘探、開發(fā)和利用過程中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)對(duì)地球和行星演化研究至關(guān)重要。
2、天然氣水合物和冰的力學(xué)性質(zhì)在宏觀上可以通過高壓低溫三軸裝置進(jìn)行測(cè)試；在微米尺度可以使用低溫納米壓痕裝置進(jìn)行測(cè)試；在分子尺度可以使用第一性原理計(jì)算模擬獲得。
3、申請(qǐng)?zhí)枮?02310978359.5的專利技術(shù)公開一種天然氣水合物樣品的納米力學(xué)性質(zhì)測(cè)試方法，其首先構(gòu)建純氮?dú)飧稍锃h(huán)境與局部液氮超低溫實(shí)驗(yàn)條件，保持手套箱內(nèi)部處于微正壓狀態(tài)，且銑刀和定位臺(tái)的溫度一致；然后在干燥氮?dú)猸h(huán)境下轉(zhuǎn)移和安裝水合物樣品，驅(qū)動(dòng)銑刀對(duì)天然氣水合物樣品表面切割，形成一個(gè)相對(duì)平整的表面；然后進(jìn)行納米壓痕參數(shù)可靠性測(cè)試、改變壓入載荷值和壓入點(diǎn)位的壓入測(cè)試、溫度敏感性測(cè)試并對(duì)壓痕形態(tài)觀測(cè)，依賴能夠完全放置在超低溫環(huán)境下的納米壓痕儀實(shí)現(xiàn)可在超低溫、干燥環(huán)境下天然氣水合物樣品的壓入測(cè)試。該方法一方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)試手段受控于壓頭尺寸，實(shí)驗(yàn)室目前無法做到1-500nm壓
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的納米尺度壓痕力學(xué)性質(zhì)測(cè)試難的問題，本專利技術(shù)提出一種天然氣水合物和冰納米壓痕力學(xué)性能的分子模擬測(cè)試方法，其采用如下技術(shù)方案：
2、一種天然氣水合物和冰納米壓痕力學(xué)性能的分子模擬測(cè)試方法，包括：
3、s1、確定分子動(dòng)力學(xué)模擬的體系大小、壓頭幾何形狀和大小，以及模擬的參數(shù)
4、s2、納米壓痕分子模擬模型構(gòu)建；
5、s21、以甲烷水合物si型結(jié)構(gòu)或冰的ih結(jié)構(gòu)單晶晶胞為種子，分別創(chuàng)建盒子大小為lx×ly×lxnm3左右的單晶或多晶超晶胞；
6、s22、建立金剛石超晶胞，并切割為一個(gè)半徑為d的球體；
7、s23、讀入天然氣水合物或者冰的超晶胞，以及金剛石球體，在z方向進(jìn)行組合，金剛石和晶體之間預(yù)留2nm的空間；
8、s3、納米壓痕分子動(dòng)力學(xué)模擬；
9、s31、對(duì)上述獲得的模型在模擬溫度條件下，進(jìn)行能量最小化，并進(jìn)行預(yù)平衡；
10、s32、設(shè)置模擬體系z(mì)方向上的固定層及恒溫層，選擇一系列壓入速度v，以及壓入深度hmax，進(jìn)行納米壓痕分子動(dòng)力學(xué)模擬測(cè)試；刪除z方向頂層內(nèi)進(jìn)入的分子，模擬步長(zhǎng)為dt＝0.001ps，模擬步數(shù)為
11、
12、s4、壓痕模量和壓痕硬度的分析計(jì)算。
13、進(jìn)一步地，所述步驟s3之前還包括泊松比測(cè)試：
14、(1)、對(duì)步驟s21得到的晶體，在模擬溫度下，分別進(jìn)行npt模擬和nvt模擬，獲得平衡后的晶體結(jié)構(gòu)；
15、(2)、在npxypzt系綜下，進(jìn)行z方向壓縮模擬，使得載荷方向上的應(yīng)變?chǔ)胚_(dá)到10％，獲得xy方向的應(yīng)變?chǔ)舕，使用公式v＝-ε1/ε，計(jì)算得到泊松比v。
16、進(jìn)一步地，所述步驟s4包括：
17、s41、繪制壓頭位移-時(shí)間、壓頭受力-時(shí)間和壓頭位移-壓頭受力情況曲線，通過曲線形狀區(qū)分彈性壓縮階段和塑性變形階段；
18、s42、對(duì)彈性壓縮階段壓入深度-壓頭受力情況，進(jìn)行曲線擬合，擬合公式為：
19、
20、其中f為壓頭受力，e*為簡(jiǎn)化壓痕模量，h為壓入深度，擬合獲得彈性模量e*，壓痕模量e與e*的關(guān)系為：
21、e＝(1-v2)e*#(3)
22、從曲線中讀取f和h，計(jì)算壓痕硬度h為：
23、
24、其中a為壓頭和晶體之間等效接觸面積。
25、進(jìn)一步地，還包括：s5、納米壓痕壓裂機(jī)制的分析
26、s51、加載模擬軌跡，對(duì)晶體中氧原子坐標(biāo)進(jìn)行分析，區(qū)分水合物、冰、液體水不同相中水分子，對(duì)整個(gè)模擬軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，定量分析壓痕破裂過程；
27、s52、對(duì)輸出軌跡中原子勢(shì)能、剪切應(yīng)變、von?mises應(yīng)力進(jìn)行可視化分析，闡述壓痕破裂機(jī)制。
28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和積極效果如下：
29、1、在測(cè)試尺寸大小和分辨率方面，本專利技術(shù)相比于實(shí)驗(yàn)中納米壓痕壓頭尺寸一般在500nm及以上，分子模擬可以做到1-500nm壓頭尺寸的測(cè)試，能夠在分子水平上對(duì)冰和水合物納米壓痕模量和硬度及破壞機(jī)制進(jìn)行分析。
30、2、在測(cè)試條件方面，本專利技術(shù)分子模擬方法可以在冰和天然氣水合物穩(wěn)定溫度和壓力條件下進(jìn)行分析。
31、3、在模擬測(cè)試成本方面，計(jì)算模擬方法成本更低。
本文檔來自技高網(wǎng)...【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種天然氣水合物和冰納米壓痕力學(xué)性能的分子模擬測(cè)試方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物和冰納米壓痕力學(xué)性能的分子模擬測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟S3之前還包括泊松比測(cè)試：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣水合物和冰納米壓痕力學(xué)性能的分子模擬測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟S4包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物和冰納米壓痕力學(xué)性能的分子模擬測(cè)試方法，其特征在于，還包括：S5、納米壓痕壓裂機(jī)制的分析
【技術(shù)特征摘要】
1.一種天然氣水合物和冰納米壓痕力學(xué)性能的分子模擬測(cè)試方法，其特征在于，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣水合物和冰納米壓痕力學(xué)性能的分子模擬測(cè)試方法，其特征在于，所述步驟s3之前還包括泊松比測(cè)試：
3.根據(jù)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張正財(cái)，李彥龍，周遠(yuǎn)，綦民輝，吳能友，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：嶗山國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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