高温作用下石英力学性质响应特征的分子模拟

摘要

石英是干热岩的主要造岩矿物，为了解高温下岩石纳米级的力学性质，采用分子动力学（MD）模拟方法，建立基于分子尺度的石英单向拉伸和压缩模型，选择Tersoff势函数描述系统的力场作用，探究单晶α-SiO₂的力学性能，明确α-SiO₂在不同温度场中单向拉伸和单向压缩载荷下的应力应变行为，并通过绘制α-SiO₂的径向分布函数（RDF）分析晶体在负载下的断裂机制。结果表明：硅氧四面体结构整体稳定，但在载荷作用下，同一氧原子连接的四面体间化学键易先破坏，键角增大，且压缩过程中的损伤程度高于拉伸过程；拉伸过程可划分为5个阶段，压缩过程为4阶段，均与宏观力学行为一致；高温通过改变Si—O键长与键角削弱晶体结构，显著降低其力学强度；温度由300 K升至800 K时，α-SiO₂的弹性模量、抗拉/压强度、体积模量和泊松比分别下降6.87%～13.1%、34.05%、15.9%、12.2%与18.5%,说明高温显著加剧石英晶体的强度劣化。

关键词

石英 / 分子模拟 / 力学性质 / 高温作用 / 微观机制

基金资助

国家自然科学基金项目(52274016); 中国石油大学(北京)科研基金项目(2462022YXZZ007,2462022BJRC012)