纳米材料改性水泥纳米薄膜确定方法、设备、介质及产品

本技术涉及纳米材料，特别是涉及一种纳米材料改性水泥纳米薄膜确定方法、设备、介质及产品。

背景技术：

1、石墨烯及其衍生物在水泥基复合材料中的应用为建筑行业带来了重大变革。石墨烯及其衍生物独有的物理化学作用，影响水泥基质的水化与结构组分，不仅改善了水泥基体的普通热力学性能，还赋予了其独特的智能特性，使得未来的建筑更加安全、耐久和环保。掺入石墨烯及其衍生物的水泥基复合材料由于其低孔隙率而表现出优异的抗渗性，使材料能够更好地抵抗水分和其他外部物质的渗透，从而保证了建筑物的长期稳定性和耐久性。同时提高了混凝土的早期强度，使混凝土在硬化的初期阶段，强度就得到了显著提升，从而有效缩短施工周期。低剂量石墨烯的掺入下，使用较少的水泥就可以实现所需的机械性能。石墨烯由于其优异的高导热性，掺入后为水泥基复合材料带来了卓越的耐火性。该特性理论上还可以有效防止热应力引起的大体积混凝土结构裂缝。石墨烯和氧化石墨烯的掺入使水泥基复合材料具备了除冰功能。在寒冷地区，这一特性能够有效防止冰雪在建筑结构上的积累，从而保障建筑结构的运营使用和安全稳定。在当代绿色和智能建筑技术的背景下，石墨烯因其导电性和灵敏的压阻率而发挥着至关重要的作用。通过掺入石墨烯，混凝土墙展现出了超强的电磁干扰屏蔽性能，有效减少了电磁辐射对人类健康的潜在危害。利用石墨烯材料特性，制备水泥基传感器。这类型传感器不仅表现出更高的相容性、抗冲击性、耐久性，还具备出色的敏感性，使其能够便捷地监测建筑材料的应力、应变、温度以及湿度等关键参数，为建筑物的维护和管理提供了有力支持。氧化石墨烯(go)作为石墨烯的衍生物，在水泥基复合材料中的性能因氧官能团的存在而略逊于石墨烯。但其低廉的成本、易于批量生产和在水中的良好分散性使得它在建筑材料领域中的应用更具潜力。石墨烯与go对水泥基复合材料的整体性能的影响，主要是由于硅酸钙水合物(csh)作为水泥的主要水化产物，其层状结构为石墨烯/go提供了潜在的嵌入空间，从而增强了混凝土的性能。go的氧官能团与csh的钙原子之间的反应形成了强界面，这是提高复合材料性能的关键因素之一。此外，氢键和机械互锁也在go和csh之间的界面结合中起到了重要作用。

2、石墨烯与go对水泥基复合材料的整体性能影响的程度差异性可以归因于多个因素，包括石墨烯和氧化石墨烯(go)样本的选择差异、试验过程的不同以及多层结构的存在。由于这些因素，很难确保只有单一层面存在于基体中。石墨烯和go均属于二维碳基材料。它们的基本结构都是由碳原子构成的平面结构，但石墨烯是纯粹的碳原子构成，而go则包含了氧官能团，这些官能团通过化学方法附着在石墨烯的表面上。这种结构差异导致了两者在物理和化学性质上有所不同，从而影响了它们在水泥基复合材料中应用表现的差异。片层的存在是石墨烯和go在混凝土基材料中发挥作用的关键。这些二维碳基材料的片层结构使得它们能够与混凝土基体形成独特的界面属性，从而影响复合材料的整体性能。

3、为进一步揭示此类差异，采用先进的表征技术，如透射电子显微镜(tem)、原子力显微镜(afm)等，观察多层石墨烯的微观结构和层间相互作用。但难以观测出其在水泥胶凝材料中的性质。需要通过控制单一变量及精细化的调整去揭示多层在水泥中的力学行为。分子动力学是一种计算模拟方法，它通过对分子之间相互作用力的建模来模拟物质的运动和变化。在石墨烯的纳观研究中，分子动力学模拟方法被广泛应用于探究石墨烯的结构、力学性质、热力学性质、电子性质等方面。水泥基纳观模拟时通常采用水化硅酸钙为研究主体。研究者们使用分子动力学模拟方法研究了石墨烯在拉伸、剪切、压缩荷载作用下的力学性能的变化和破坏的机制，以及石墨烯与其他材料的相互作用和界面性质。例如，在水泥基复合材料中，石墨烯与水泥基体之间的界面相互作用对复合材料的力学性能有着重要影响。通过分子动力学模拟，科学家们可以揭示石墨烯与水泥基体之间的相互作用机制，从而优化复合材料的性能和设计。

4、因此，通过评估层数对复合材料性能影响，可以研究多层石墨烯、氧化石墨烯在水泥材料中(水化硅酸钙)上的粘附性能，分析不同层数、尺寸大小对界面剥离行为的影响。从片层在剥离过程中变形、弯曲几何特征以及结构熵的变化特征揭示脱粘行为的内在机理。在实用层面上为石墨烯增强矿物成分的结构强度提供了思路，还在理论层面上拓展了二维薄膜材料增强的机制。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种纳米材料改性水泥纳米薄膜确定方法、设备、介质及产品，通过纳米薄膜最优设计方案，使得设计的纳米材料改性水泥达到预设粘附性能。

2、为实现上述目的，本技术提供了如下方案：

3、第一方面，本技术提供了一种纳米材料改性水泥纳米薄膜确定方法，包括：

4、获取纳米材料改性水泥中纳米薄膜的设计方案；所述设计方案包括纳米薄膜的层数、尺寸和材料；所述材料为石墨烯或氧化石墨烯；

5、基于设计方案构建改进硅酸钙水合物模型；所述改进硅酸钙水合物模型是对经典硅酸钙水合物模型进行改进后得到的；所述改进硅酸钙水合物模型包括嵌入硅酸钙水合物基体的多层材料结构；

6、结合clayff电位和opls-aa电位，对改进硅酸钙水合物模型进行分子拉伸动力学模拟，得到设计方案对应纳米薄膜界面剥离过程中的模拟参数；

7、基于所述模拟参数确定设计方案对应纳米薄膜的粘附性能；

8、判断粘附性能是否达到目标粘附性能，得到第一判断结果；

9、若第一判断结果为否，则更新设计方案，返回步骤“基于设计方案构建改进硅酸钙水合物模型”；

10、若第一判断结果为是，则确定设计方案为最优设计方案。

11、可选地，在确定设计方案为最优设计方案之后，还包括：

12、基于最优设计方案制备纳米材料改性水泥。

13、可选地，基于设计方案构建改进硅酸钙水合物模型，包括：

14、构建经典硅酸钙水合物模型；

15、将经典硅酸钙水合物模型对应矩阵沿x轴进行延伸至预设尺寸，得到第一延伸硅酸钙水合物模型；所述预设尺寸为设计方案中纳米薄膜的尺寸；

16、将第一延伸硅酸钙水合物模型对应矩阵沿y轴进行延伸至预设尺寸，得到第二延伸硅酸钙水合物模型；

17、对第二延伸硅酸钙水合物模型结构表面的si-o链进行质子化，得到改进硅酸钙水合物模型。

18、可选地，基于所述模拟参数确定设计方案对应纳米薄膜的粘附性能，包括：

19、基于所述模拟参数，确定剥离过程中能量释放率曲线；

20、基于所述模拟参数，确定剥离过程中外界对系统的输入功曲线；所述能量释放率曲线和输入功曲线用于描述纳米薄膜的粘附性能。

21、可选地，能量释放率为：

22、

23、其中，g为能量释放率，γ0为粘附能，fz为垂直方向剥离力，ω为膜的宽度，∈为分层膜中的应变，θ为弯曲挠度。

24、可选地，外界对系统的输入功为：

25、δg＝δh-tδs；

26、其中，δg为外界对系统的输入功，δh为系统内焓变，δs为系统内熵变，t为绝对温度。

27、可选地，在更新设计方案之后，还包括；

28、判断更新设计方案中更新量是否仅为纳米薄膜的尺寸，得到第二判断结果；

29、若所述第二判断结果为否，则返回步骤“基于设计方案构建改进硅酸钙水合物模型”；

30、若所述第二判断结果为是，则基于改进硅酸钙水合物模型构建拟大尺寸模拟，得到设计方案对应纳米薄膜界面剥离过程中的模拟参数；进行拟大尺寸模拟时将改进硅酸钙水合物模型中多层材料结构的一端固定，拉伸另一端到预设长度。

31、第二方面，本技术提供了一种计算机设备，包括：存储器、处理器以存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序以实现上述纳米材料改性水泥纳米薄膜确定方法。

32、第三方面，本技术提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述纳米材料改性水泥纳米薄膜确定方法。

33、第四方面，本技术提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述纳米材料改性水泥纳米薄膜确定方法。

34、根据本技术提供的具体实施例，本技术公开了以下技术效果：

35、本技术提供了一种纳米材料改性水泥纳米薄膜确定方法、设备、介质及产品，通过分析变形、弯曲几何特征以及结构熵的变化特征，找到了不同层数石墨烯/go的性能差异，以及不同片层尺寸大小之间的相反剥离趋势。通过此原理，可以预测纳米尺度界面脱粘行为的多层效果，帮助为石墨烯/氧化石墨烯在水泥基复合材料应用中选择合适尺寸(层数、大小)，同时提供理论支持与重要视角。