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软岩粘土矿物的掺杂机制及其吸附特性

作　者: 赵健
导　师: 何满潮
学　校: 中国矿业大学（北京）
专　业: 防灾减灾及防护工程
关键词: 软岩粘土矿物第一性原理计算方法掺杂机制吸附特性
分类号: P619.231
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

深部资源开采中的软岩巷道遇水大变形产生破坏塌方，其本质是软岩中粘土矿物和水分子相互作用后，产生显著的膨胀性大变形。本文利用第一性原理计算方法，将软岩膨胀大变形概化为粘土矿物中的各种组分原子和水分子之间的相互作用模型。通过对粘土矿物微观电子结构等的研究深入了解了粘土矿物物理化学性质。总结了杂质在高岭石内部存在的掺杂机制，分析了杂质的形成能和电子跃迁能级等物理量，揭示了杂质对粘土矿物分子结构，电荷密度等物理化学性质的影响。最后对软岩粘土矿物与水相互作用的微观机理研究，结果表明粘土矿物吸附水前后各种能量等物理、化学信息的变化是引发软岩性能改变的内在因素，从而导致了一系列的深部软岩巷道大变形问题。本项目的研究结果为解决矿井大变形问题、深部矿井设计工程等一系列软岩工程力学问题提供了重要理论基础并具有较大的指导作用。

全文目录

摘要  5
Abstract  5-7
详细摘要  7-9
Detailed Abstract  9-15
1 绪论  15-27
  1.1 课题研究背景与意义  15-17
  1.2 国内外研究现状  17-21
    1.2.1 国内外软岩粘土矿物水理作用实验研究现状  17-20
    1.2.2 国内外软岩粘土矿物水理作用理论研究现状  20-21
  1.3 问题的提出  21-22
  1.4 研究内容与思路  22-26
    1.4.1 主要研究内容  22-24
    1.4.2 课题研究的理论思路  24-26
  1.5 课题研究的创新点  26
  1.6 本章小结  26-27
2 软岩粘土矿物晶体结构及其微观特征  27-53
  2.1 软岩中粘土矿物的分类  27-28
  2.2 粘土矿物的晶体结构  28-32
    2.2.1 高岭石 1:1 层结构  29-30
    2.2.2 蒙脱石 2:1 层结构  30-32
  2.3 理论基础与计算方法  32-41
    2.3.1 量子力学基础  32-35
    2.3.2 密度泛函理论  35-39
    2.3.3 第一性原理计算方法  39-40
    2.3.4 VASP 程序包介绍  40-41
  2.4 高岭石微观结构的第一性原理分析  41-46
    2.4.1 分子结构  42-43
    2.4.2 电子结构和电荷分布  43-45
    2.4.3 能带结构  45-46
  2.5 蒙脱石微观结构的第一性原理分析  46-52
    2.5.1 分子结构  47-48
    2.5.2 电子结构和电荷分布  48-51
    2.5.3 能带结构  51-52
  2.6 本章小结  52-53
3 粘土矿物内部掺杂机制  53-75
  3.1 引言  53-54
  3.2 计算方法  54-55
  3.3 高岭石内部单掺杂机制  55-60
    3.3.1 单杂质形成能和跃迁能级  57-60
    3.3.2 杂质在高岭石内部的电荷密度和态密度分布  60
  3.4 蒙脱石内部单掺杂机制  60-65
    3.4.1 单杂质形成能和跃迁能级  61-64
    3.4.2 杂质在蒙脱石内部的电荷密度和态密度分布  64-65
  3.5 高岭石内部双掺杂机制  65-70
    3.5.1 双杂质形成能和跃迁能级  66-68
    3.5.2 双杂质在高岭石内部的电荷密度和态密度分布  68-70
  3.6 蒙脱石双掺杂机制  70-74
    3.6.1 双杂质的形成能和跃迁能级  70-72
    3.6.2 双杂质在蒙脱石内部的电荷密度和态密度分布  72-74
  3.7 本章小结  74-75
4 粘土矿物表面的吸附特性  75-103
  4.1 引言  75
  4.2 计算方法  75-76
  4.3 H2O 在高岭石表面（001）的吸附特性  76-85
    4.3.1 清洁的高岭石表面（001）  76-78
    4.3.2 H2O 分子的性质  78-79
    4.3.3 单个 H2O 在高岭石表面（001）的吸附  79-83
    4.3.4 H2O 分子在高岭石表面（001）的扩散过程  83-84
    4.3.5 H2O 分子在高岭石表面（001）的解离过程  84-85
  4.4 CO2在高岭石表面（001）的吸附特性  85-93
    4.4.1 CO2分子的性质  85-86
    4.4.2 单个 CO2在高岭石表面（001）的吸附  86-90
    4.4.3 CO2分子团簇结构在高岭石表面（001）的吸附  90-93
  4.5 重金属原子在高岭石表面（001）的吸附特性  93-101
    4.5.1 单个重金属原子在高岭石表面（001）的吸附  94-97
    4.5.2 重金属原子团簇结构在高岭石表面（001）的吸附  97-100
    4.5.3 重金属原子在高岭石表面（001）的扩散过程  100-101
  4.6 本章小结  101-103
5 杂质成分对粘土矿物表面吸附性质的影响  103-111
  5.1 软岩粘土矿物中常见的杂质成分  103
  5.2 不同杂质对高岭石调结构的影响  103-105
  5.3 不同杂质对高岭石表面吸附水分子的影响  105-109
  5.4 本章小结  109-111
6 结论与展望  111-113
参考文献  113-125
致谢  125-126
攻读博士学位期间的科研工作情况  126-127

软岩粘土矿物的掺杂机制及其吸附特性

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