地质聚合物聚合机理的第一性原理研究-材料学专业论文.docxVIP

Classified Index: TB303 U.D.C: 620 Dissertation for the Master Degree in Engineering FIRST-PRINCIPLES STUDY ON THE POLYMERIZATION MECHANISMS OF GEOPOLYMERS Candidate: Zhang Xiaofei Supervisor: Prof. Song Shenhua Academic Degree Applied for: Master of Engineering Speciality: Materials Science Affiliation: Shenzhen Graduate School Date of Defence: June, 2010 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -I- -I- -II- -II- 摘 要 地质聚合物材料由于其免烧结、高性能、低成本、制备工艺简单等特点近 年来越来越受到人们的关注。地质聚合物的结构式可表示为 nM2O.Al2O3.xSiO2.yH2O，在碱性条件下会水解出[Al(OH)4]–、 [SiO2(OH)2]2– 和 [SiO(OH)3]–等离子团，这些离子团会再通过缩聚反应形成地质聚合物。 近年来，计算机技术在理论上和应用上都飞速发展，这也同时带来了密度 泛函理论方法（Density Functional Theory，DFT）迅速发展，基于密度泛函的第 一性原理方法目前已被用于研究固态物理领域中的问题，并取得了令人瞩目的 成果。本研究正是利用上述方法中的广义梯度近似方法，使用 DMOL3 计算软件， 对地质聚合物的反应机理展开了研究。 对[SiO(OH)3]–和 [SiO(OH)3]–形成[Si2(OH)4O3]2-的过渡态结构进行了优化， 结果表明：形成[Si2(OH)4O3]2-的过渡态形式为从硅氧基团上脱去羟基和另一个 硅氧基团的一个氢原子组成水分子的 反应过程。其结构优化过程中耗费 0.0263eV 的能量，其优化步数为 100 步以上，优化时间较长。 对[Al(OH)4]– 和 [SiO2(OH)2]2– 形成[SiAl(OH)5O2]2- 的过渡态结构的优化表 明：通过缩聚反应形成[SiAl(OH)5O2]2-的过渡态形式为硅氧基团上脱去羟基和铝 氧基团上脱去的氢原子组成水分子的反应过程。其结构优化过程中只耗费 0.0082eV 的能量，并且优化步数仅为 40 步左右，使优化时间大大缩短。 比较两种计算结果可知，在形成地质聚合物的反应过程中，[SiAl(OH)5O2]2- 的反应要比普通水泥中[Si2(OH)4O3]2-的反应速度快的多，即地质聚合物的硬化 速度比普通水泥的硬化速度快的多，这与当前大量的实验研究结果是一致的。 无疑本研究对地质聚合物材料的开发具有重要的指导意义。 关键词: 地质聚合物；密度泛函理论；第一性原理；过渡态优化； Abstract Because of its free sintering, high-performance, low cost, and simple preparation, geopolymer has received more and more attention. Geopolymers, arealka linealumino-silicate compounds, which can be nominally represented as nM2O.Al2O3.xSiO2.yH2O. It is observed that the hydrolysis of aluminate andsilicate materials in alkaline solutions results in monomeric [Al(OH)4]–, [SiO2(OH)2]2– and [SiO(OH)3]– species, respectively. Along with the quickly improved computation theory and method in recent years, the Density Functional Theory (DFT) has achieved a rapid progress, and it has been used to explore solid-state systems. In t