温度对液体金属铜的双体分布函数的影响

温度对液体金属铜的双体分布函数的影响

李远博

山东省东营市胜利第三中学山东东营257000

摘要：本文采用分子动力学模拟方法，对液态金属铜体系进行跟踪研究，展开了新的探讨。研究了不同温度下液态金属Cu双体分布函数形状及温度对液态金属Cu双体分布函数形状的影响。从而得到温度与微观结构表征之间的关系。经过分析结果表明：随着温度的升高，第一峰值越来越低，以一个原子为中心，它的紧邻原子减少，与热力学理论相符。

关键词：分子动力学模拟；液体金属；Cu；双体分布函数。

引言

金属材料是指金属元素或者以金属元素为主的具有金属特性的材料。生活中离不开金属材料的应用，固态金属材料都是由液态凝固转变而来。金属在液态下的团簇数量及类型对凝固前期的形核具有一定的影响，因此深入了解金属在熔融状态下的团簇结构，可在金属材料凝固的过程中选择更好的工艺手段，进而预测和掌控金属的组织形貌，改善金属的机械性能，从而可以获得人们所需要性能的金属材料，扩展金属在各个领域中的应用市场[1]。在过去几年的研究中，探索液态金属的固有结构以及热力学性质和结构之间的关系是研究过程中最基本的问题。由于很多限制性，例如高温、氧化，使得与固态金属相比，对液态金属的结构研究少之又少。

近几十年由于科学技术突飞猛进地发展，尤其是计算机模拟在科学应用上的普及，成为了液态金属物理化学性能理论计算的有力工具。与此同时，随着各种新型材料的研究与发展，特别对于液态金属可用作加热介质这一热门研究使得液态金属的微观结构及性质成为了研究焦点，使之逐渐成为多样化的交叉学科，并成为了一种炙手可热的研究领域。近年来，对液态金属微观结构的研究得到了许多进展，侯兆阳等[2]对熔体初始温度对液态金属Na凝固过程中微观结构影响进行研究得到其微观表征（双体分布函数、键型指数等）的变化；吴博强[3]等研究了冷速对液态金属Mg凝固过程中微观结构演变的影响；林艳等[4]研究了冷却速率对液态金属Zn快速凝固过程中微观结构的影响。

本文利用分子动力学模拟方法，基于LAMMPS软件进行模拟。本文在已有液态金属研究的基础上[5,6]，采用分子动力学模拟方法，对以个原子组成的液态合金体系进行跟踪研究，展开了新的探讨。研究了不同温度对液态金属Cu双体分布函数形状的影响。从而得到温度与微观结构表征之间的关系。

1.LAMMPS简介

LAMMPS即Large-scaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator，可译为大规模原子分子并行模拟器，在与分子动力学相关的一些计算和模拟研究上运用广泛，总的来说，分子动力学所研究到的领域，LAMMPS代码也都涉及到了。

LAMMPS是由美国Sandia国家实验室开发出的一种开源软件，以GPLlicense发布，即开放源代码且可以免费下载使用，也就是说使用者可以根据自己研究内容的需求去修改源代码。LAMMPS可以支持包括气体，液体或者固体的各种系综，小到几个粒子，大到百万级的原子分子体系，并提供多种势函数。LAMMPS有良好的并行拓展性。

使用LAMMPS进行分子动力学模拟主要通过输入文件来驱动，一般情况下，输入文件由四个部分组成：一是对模拟对象进行初始化，对单位、边界条件和维度等参数设定；二是定义原子，建立模型进行计算；三是对势函数、时间步长、系综等参数进行设置，以及输出所需数据的设置；最后是计算。

2.双体分布函数

双体分布函数g(r)(pairdistributionfunction)又叫做偶分布函数，是模拟所得结果与实验数据相比较的重要参数。通过X射线衍射实验我们可以得到结构因子S(q)，它与S(q)互为傅立叶变换。

双体分布函数所表达的物理意义为：以体系中每一个原子为中心，在球核内能够找到其它原子的平均概率。

在实验上，研究双体分布函数的方法有很多种，主要有X射线衍射、电子衍射和中子衍射。通过计算机模拟法、积分法和微相平衡法得到双体分布函数的数值。其中分子动力学和蒙特卡洛均属于计算机模拟法。本文所采用的方法是分子动力学方法。

本文通过可视化软件OVITO[7]，导入LAMMPS模拟所得数据，可得到体系的双体分布函数。

3.液态金属的结构模型

根据现代晶体学知识可知，在三维空间上，周期性排列在晶格结点上的原子在其平衡位置作热振动。与有序的周期性排列着的晶体原子相比，气体原子的特征则是无序排列，原子之间的平均距离要比原子本身的尺寸大得多。与具有规律排列的长程有序的晶体相比，液态金属的原子呈现不规则分布，具有长程无序的特点，与具有无序规律的气体相比，液态金属的原子则表现出短程有序的特点。

4.模拟条件和方法

本文对液态Cu在NPT系综下进行了分子动力学模拟研究，对其微观结构进行研究分析。

本文模拟Cu金属使用嵌入原子法（EAM）势函数，采用三维周期性边界条件，在等温等压（NPT）系综下，对处于熔融状态下的108000个原子状态进行模拟。时间步长为0.01皮秒，三个方向(Px、Py、Pz)的压强均为0。

模拟计算温度从1400K到1800K，分别在这些温度下运行步，以确保体系处于平衡状态。每隔步输出系统的结构组态，所输出的文件内容为原子的空间坐标。然后用Ovito[7]进行可视化，然后用双体分布函数对体系进行结构分析。进一步探讨温度对其微观结构的变化。

5.模拟结果与讨论

用Ovito可视化后可发现，在前两个温度下（1400K；1500K），双体分布函数会出现预峰，如图1，说明会有大量晶体结构存在。猜测出现此现象的原因有两点，其一为温度在熔点附近会出现晶体结构；其二为势函数选取问题。随着温度的升高，第一峰值减小，1400K时为3.33546；1500K时为3.13744；1600K时为2.66221；1700K时为2.60614；1800K时为2.51651（如图2），双体分布函数形状变化有规律可循；第一峰峰值呈现减小规律。分析体系分别在1600K、1700K、1800K温度下，双体分布函数第一峰峰值随着温度的增加呈现减小趋势，说明随着温度的升高，以一个原子为中心的近邻原子数减少，即游离原子数目增加，原子与原子之间的作用力减小，短程有序度减小，体系越来越不稳定。此处所得结论与热力学理论相一致，即温度越高，体系内能越大，但是体系不稳定。

图2双体分布函数第一峰峰值随温度的变化

6.结论

本文经过对液态金属Cu的双体分布函数形状的对比及微观结构分析得到以下结论：温度对液态金属Cu的双体分布函数等微观表征有影响；以一个原子为中心，随着温度的升高，短程内它的近邻原子数量减少，游离原子增多，且有规律可循，在1400K、1500K下，液态金属铜体系中可能存在大量晶体结构；当温度超过1500K时，温度对双体分布函数的影响变小；随着体系温度的升高，原子与原子间的原子作用力变小，熵值变大，混乱度变大，有序性减小。

参考文献

[1]张世良,戚力,高伟,等.分子模拟中常用的结构分析与表征方法综述[J].燕山大学学报,2015(3):213-220.

[2]侯兆阳,刘让苏,王鑫,等.熔体初始温度对液态金属Na凝固过程中微观结构影响的模拟研究[J].物理学报,2007,56(1):376-383.

[3]吴博强,刘海蓉,刘让苏,等.冷速对液态金属Mg凝固过程中微观结构演变的影响[J].物理学报,2017,66(1):245-253.

[4]林艳,刘让苏,田泽安,等.冷却速率对液态金属Zn快速凝固过程中微观结构的影响[J].物理化学学报,2008,24(2):250-256.

[5]刘让苏,李基永.关于Ca的非晶态结构转变过程的模拟研究[J].科学通报,1993,38(5):409-412.

[6]刘让苏,李基永.非晶态金属形成过程中微观结构转变特性的模拟研究[J].科学通报,1995,40(11):979-982.

[7]StukowskiA.VisualizationandanalysisofatomisticsimulationdatawithOVITO-theOpenVisualizationTool[J].ModellingSimul.mater.sci.eng,2010,18(6):2154-2162.