腐蚀介质扩散行为的分子动力学模拟

关键词：Materials Studio，分子动力学模拟，均方位移，扩散系数

内容摘要：

• 腐蚀是工业生产过程中一个极为突出的问题，造成了巨大的经济损失和安全隐患。在众多的防腐蚀措施之中，添加缓蚀剂是广泛采用的方法之一。

• 常用的缓蚀剂主要为吸附型缓蚀剂，它可稳定吸附在金属表面并在金属表面形成致密的保护膜，阻碍腐蚀介质向金属表面迁移扩散，以达到抑制或延缓腐蚀的目的。

计算方法：本文所有模拟工作均由 Accelrys 公司开发的Materials Studio 软件包完成，力场为 COMPASS力场，它能够准确给出孤立体系和凝聚态的结构与性质。

1. 利用 Visualizer 模块构建基础分子模型

腐蚀介质粒子：HCO3- 、H3O+、H2O以及咪睉啉类缓蚀剂分子

1. 建立界面模型

利用 amorphous cell 模块分别构建包含缓蚀剂分子的无定形组织结构，采用(NVT)进行分子动力学模拟，平衡后统计体系密度的平均值，并把该值作为计算体系中缓蚀剂膜的密度。模拟体系由三层结构组成:第一层为 Fe(001)面；第二层为包含80个缓蚀剂分子和1个腐蚀介质粒子的无定形组织结构；第三层是厚度为 2nm的真空层。如图为本文模拟所需的计算模型：

1. 模型结构优化

使用Forcite 模块对上述模型分别进行结构优化，使其达到最佳的模型结构和稳定的能量体系。模型参数和收敛和能量数据如图所示：

1. 分子动力学过程：

腐蚀介质粒子在缓蚀剂膜中的扩散行为的模拟通过forcite模块的正则系综(NVT)来实现,模拟温度为 298 K，温度采用 Andersen方法控制，各分子起始速度由Maxwell-Boltzmann分布随机产生，运用 velocityverlet 算法叫求解牛顿运动方程.

通过温度和能量判据来判断体系是否已达到平衡，下图为缓蚀剂分子在缓蚀剂膜中扩散时体系的能量和温度随时间演化曲线：

分子动力学后的稳定构型：

MSD曲线：

结论：

•缓蚀剂膜均可有效阻碍腐蚀介质向金属表面扩散，从而达到缓蚀效果。

•同种缓蚀剂膜对带电粒子扩散的抑制能力明显强于对中性粒子。