高性能玻璃纤维结构的分子动力学模拟及其性能的拓扑束缚理论研究

Correlating grass structure with viscosity model and making theoretical predictions can not only offer a unique insight into the structural formation mechanism of glass melt, reproduce structure evolution, and provide a theoretical support model for practical applications, but also reveal the relationship among the glass composition structure, temperature, and property, which is of scientific significance and good practical reference value. In this project we will focus on MgO-Al2O3-SiO2-CaO glass systems and take modern molecular dynamics research approaches to construct a molecular dynamics model which is suitable for describing the structure of the molten in elevated temperatures. The effect of a small amount of oxide composition on the structure will also be studied, with a goal to achieve effective prediction and regulation through simulation methods. By the combination of experiments and theories, the qualitative and quantitative rules of the melt structure, properties, and model parameters are first explored so that the composition-dependent mathematical models are constructed based on the deep understanding of the mechanism. After that, the applied effects of the constructed topological constraint model on strength, elastic modulus, transition temperature, viscosity-temperature curve, etc. will be comprehensively tested, to demonstrate the important role that the molecular dynamics simulations and topological constraint theory play in glass material design and fiberizing process simulation and optimization.

将玻璃结构和粘度模型进行数据关联并进行理论预测，不仅可洞察玻璃熔体的结构作用机制、再现结构演变以及为实际应用提供理论支撑模型，而且对揭示玻璃组成、结构与温度和性能的关系均具有重要的科学意义和实际参考价值。本项目将针对MgO-Al2O3-SiO2-CaO玻璃系统，采用现代分子动力学研究方法，构建适用于描述高温熔体结构的分子动力学模型。研究氧化物组成对结构影响并通过模拟实现有效调控和预测。通过实验与理论的结合，探究熔体结构、性质与模型参数的定性定量规律，在清楚影响机理的基础上，构建组成关联性能的数学模型。在此基础上，测试构建的拓扑束缚模型在强度、弹性模量、粘温曲线等方面的应用效果。以期发挥分子动力学模型和拓扑束缚理论在材料设计、纤维成型过程模拟与优化中的重要作用。

开发新一代高强高弹性模量玻璃纤维，需突破纤维制备中存在的纤维成形温度高、粘度大等核心技术难题，在玻璃组成中进行相关设计。因此，项目采用分子动力学对高强高弹性模量玻璃的结构单元进行了定量计算和建模设计。通过建立玻璃配方-结构-性能关系模型，实现玻璃热力学、机械性能的高精度预测。项目围绕MgO-Al2O3-SiO2（MAS）玻璃，通过分子动力学对高温熔体结构进行模型构建，研究了氧化物组成MgO/Al2O3、Li2O、Na2O等引入对玻璃近程结构、密度、转变温度、硬度和弹性模量、粘度等的影响。研究结果表明：在R=1（R=MgO/Al2O3）时玻璃熔体的聚合度达到最大值，玻璃网络结构最紧密。通过建立玻璃网络聚合度与维氏硬度（Hv）的关系模型，研究发现SiO2含量为 67mol%时，玻璃网络连接性最高，机械性能最强。Li2O、Na2O等的引入会使解聚网络，破坏Si-O-Si桥氧连接，降低了玻璃网络连接通性，通过分子动力学可以进行网络连接程度的量化计算。在对粘度的研究中，通过运用多种技术手段建立了组成-温度-粘度模型。用数学方程表达基于温度的粘度等物理量量变化过程。研究表明，拓扑束缚理论结合 Mauro-Yue-Ellison-Gupta-Allan 公式构建的粘度的组成-结构计算模型得到的粘度值比通过分子动力学模拟结合统计力学计算得到的粘度值更接近玻璃实测粘度值。本项目揭示了高强铝硅酸盐玻璃体系的组成-结构-性能构效关系，获得了高强高弹性玻璃纤维的“基因”，实现了对玻璃性能的精准预测，获得兼具高强特性和工艺可行性的最优组成配方，为新型高性能玻璃配方的高效开发提供技术参数和理论指导。 目前研究工作按计划及时完成，已发表学术论文17篇，申请专利2项，培养研究生7名，参加了14次学术会议并做学术报告。相关成果获得南京玻璃纤维研究院的认可并联合进行国家高性能玻璃纤维的国家重点研发项目研究。