编号：CYYJ04878
篇名： MICP多相多晶碳酸钙拉伸压缩的分子动力学模拟
作者： 陈爽
关键词： 多晶多相碳酸钙; 分子动力学; 电荷补偿; 拉伸与压缩; 变形机制; 温度效应;
机构：佛山大学
摘要： 多晶多相碳酸钙广泛存在于天然碳酸盐矿物和微生物矿化产物中,掌握其力学性能与变形机制对理解碳酸钙材料的结构稳定性及拓展相关工程应用具有重要意义。本文在多晶方解石和文石原子模型的基础上,构建了包含方解石与文石两相的多晶多相碳酸钙模型,采用分子动力学方法研究多晶多相碳酸钙的力学行为。针对Voronoi裁剪过程中可能引起的电荷失衡问题,提出了以界面附近碳酸根中O原子为主要补偿对象的局部电荷补偿方法。在此基础上,构建了包含方解石相与文石相的多晶多相碳酸钙模型,分析了其在单轴拉伸和单轴压缩条件下的力学响应、原子尺度变形破坏机制及温度效应,并与多晶方解石和多晶文石进行了对比。结果表明:(1)所提出的局部电荷补偿方法能够有效削弱非物理静电背景的干扰,使模型的应力响应和局部结构演化更加合理,为后续力学模拟提供了可靠基础。(2)在单轴拉伸条件下,多晶多相碳酸钙具有最低的初始刚度,其强度略高于多晶文石但明显低于多晶方解石;其损伤演化主要表现为晶/相界致密化、相界中纳米裂纹与孔洞的萌生、扩展和连通,并伴随晶界迁移,而晶粒内部未出现明显新相形成。(3)在单轴压缩条件下,多晶多相碳酸钙的峰值承载能力最低,但峰后应力衰减幅度最小,表现出较强的残余承载保持能力;其变形过程以界面致密化和局部结构重排为主,失稳呈现明显的渐进性特征。(4)温度升高会使多晶多相碳酸钙的杨氏模量、抗拉强度和峰值应变持续下降,同时促进界面附近孔洞和微裂纹的发展,表明其温度效应主要来源于界面稳定性降低后缺陷更易萌生和扩展。研究结果揭示了多晶多相碳酸钙在不同加载条件下由界面结构失配主导的力学响应规律,可为碳酸钙类矿化材料的结构设计与性能调控提供原子尺度依据。