Modélisation des verres d 'aluminosilmicates de calcium par dynamique moléculaire : Structure et dynamique.

par Mohammed Bouhadja

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Noël Jakse.

Soutenue le 26-09-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Sciences et Ingénieurie des Matériaux et des Procédés (équipe de recherche) .

Le président du jury était Jean-Louis Barrat.

Le jury était composé de Patrick Ganster.

Les rapporteurs étaient Jean-francois Wax, Magali Benoit.


  • Résumé

    Ce travail a pour but d'étudier les propriétés structurales et dynamiques des verres aluminosilicate de calcium CaO-Al2O3-SiO2 (CAS) par dynamique moléculaire classique, à partir d'un potentiel empirique de type Born-Mayer-Huggins, construit sur la base de résultats de dynamique moléculaire ab initio (AIMD) et expérimentaux. Il montre de bonnes propriétés de transférabilité sur toutes les concentrations pour les propriétés structurales et dynamiques étudiées. L'évolution des propriétés structurales a été étudiée en fonction de la température et de la concentration en silice pour trois rapports de concentrations R = [CaO]/[Al2O3]= 1, 1.57 et 3. Les résultats révèlent la présence d'oxygènes non-pontants et tricoordonnés et d'aluminium penta-coordonnés pour toutes les concentrations dont le nombre diminue avec l'augmentation avec la concentration en silice. L'étude de la viscosité et du temps de relaxation structural avec la température a permis de montrer que la fragilité diminue avec l'augmentation de la concentration en silice pour les trois valeurs de R. Une corrélation avec l'évolution des oxygènes non pontant indique que ces derniers jouent un rôle prépondérant pour la fragilité. Il est montré que la théorie des couplages de modes s'applique à la dynamique des CAS et qu'une violation de la relation de Stokes-Einstein se produit au-dessus du point de fusion expérimental indiquant une hétérogénéité dynamique.

  • Titre traduit

    Modelling of calcium aluminosilicate glasses by molecular dynamics : Structure and Dynamics


  • Résumé

    The aim of this work is to study the structural and dynamic properties of calcium aluminosilicate glasses CaO-Al2O3-SiO2 (CAS) by classical molecular dynamics, using an empirical potential of the Born-Mayer-Huggins type, built on the basis of ab initio molecular dynamics (AIMD) and the experimental results. This potential proves to be transferable for all concentration and the structural and dynamic properties studied. The evolution of structural properties has been studied as a function of temperature and silica content for the three concentration ratios R = [CaO]/[Al2O3]= 1, 1.57 et 3. The results reveal the presence of non-bonding oxygen, oxygen triclusters and AlO5 structural units for all the concentrations whose number decrease with increasing silica content. The study of the temperature evolution of the viscosity and structural relaxation time shows that the fragility decreases with the increase of silica content for all values of R. A correlation with the evolution of the number non-bonding oxygen indicates that they play a preponderant role for the fragility. It is shown that the mode coupling theory can be applied to the dynamics of the CAS and that a violation of the Stokes-Einstein relation occurs well above the experimental melting point indicating a dynamical heterogeneity. Keywords: calcium aluminosilicate, diffusion, viscosity, fragility, BMH potential, molecular dynamics, dynamical heterogeneity, non-bonding oxygen.


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