微波加热锐钛矿及其向金红石转变的微观机理分析

微波冶金的应用非常广泛，因为微波加热相对于传统加热方法有快速、均匀性强及环保等优点。但在实际应用中，以微波烧结物料为例，都要对每一种物料的尺度以及加热时间进行摸索，导致资源的浪费。因此，理论上对微波煅烧物料的理解具有指导意义。本项目拟从分子动力学从物理微观机制出发，研究锐钛矿粉末及其向金红石的转变在微波电磁场下的升温及相变行为。从Maxwell方程出发得出粉末中原子的势能表达式，求得势能大小，导出每个原子在任意时刻所受作用力，根据从牛顿第三定律导出的位置或速度算法（常用的Verlet算法），得到每个原子的运动轨迹（包括位置和速度），可求出粉末的系统所有原子群体特性：温度、相变温度、动能、势能及径向分布函数等等。而这些物理量可测出，其中温度更是体现了微波加热的效果，相变温度已经知道，因而可和实验对照。综上所述，项目对微波加热导致锐钛矿向金红石的相变研究有指导意义，同时加深对微波加热理论的理解

利用高斯型轨道密度泛函理论，我们分别计算了锐钛矿和金红石板块晶体的晶格常数等晶体结构参量和总能量。第一性原理计算得到的总能量就是经典分子动力学中的势能。利用总能量之差，我们得到从锐钛矿向金红石相变所需能量，给微波加热锐钛矿转化为金红石提供了理论基础。利用膺势平面波密度泛函，我们计算了锐钛矿掺杂不同浓度的采用掺杂改性的方法分别就非金属元素、过渡金属元素、浓度进行单因素实验计算，最终得出过渡金属元素与非金属元素共掺杂锐钛矿型TiO2的最优浓度和能量，为微波加热改性提供了理论基础。利用高斯型轨道密度泛函理论，我们计算了金红石（001）和（110）表面，我们发现从表面能的角度出发，（110）表面比（001）表面更稳定，同时通过计算总能量之差，我们得到在一定温度下，金红石（001）表面可能更稳定，就是说我们可用微波加热的方法得到（001）表面。.基本完成预定目标。.发表SCI论文6篇，另外有1篇投Computation Physics Communication，还有1篇Nature Communication编辑认为适合Nature Scientific Reports，已投。.能隙；密度泛函；势能；锐钛矿掺杂；微波加热；金红石表面