摘 要

普通硅酸盐水泥作为一种传统的胶凝材料，已有200多年的发展历史。近年来，随着水泥生产量的扩大，水泥的生产与社会的要求越来越矛盾。一方面，生产对高使用性能水泥的需求越加迫切；另一方面，水泥的高污染生产模式使得整个社会对环境友好型水泥的研究更加急切。

本论文通过第一性原理计算方法对比研究了硅酸三钙（C₃S）及镁掺杂C₃S的晶体结构及电子性质。首先构建出C₃S晶体模型，并对该晶体模型进行了结构优化。然后，对优化后的C₃S晶体进行体相电子结构分析，得出C₃S活性位置主要存在于游离氧原子（O_i）周围的结论。在此基础上，本论文研究了在C₃S晶体中不同位置掺杂镁原子的情况，通过计算形成能得到了最稳定的结构。对比掺杂前后C₃S体相电子结构的变化，发现氧原子的原子轨道发生了偏移，局域性相比掺杂之前更强，说明C₃S晶体中的活跃位置发生了改变，整体活跃性降低。进一步对比C₃S中氧原子掺杂前后的分波态密度（PDOS），发现掺杂后氧原子的态密度降低，这证实了之前轨道分析的结果。

综上，镁掺杂C₃S晶体使得C₃S晶体的活性位置发生改变。

关键词：硅酸三钙 第一性原理 镁掺杂 电子结构

Effect of C₃S mineral crystal structure and electronic properties of Mg-doped

Abstract

Ordinary portland cement as a traditional cementitious material, has developed for more than almost 200 years. Recently, with the development of cement production, the contradictions between the production of cement and the needs of the society become sharper. On one hand, the needs of high-performance cement have become increasingly urgent. On the other hand, the high-polluting production pattern of cement pushes the whole social into taking researches on environment-friendly cement.

In this paper, a comparative research on tricalcium silicate (C₃S) and magnesium-doped C₃S had been done to observe crystal structures and electronic properties, using first-principles calculation method. Firstly, we built a C₃S crystal model and optimized its crystal structure. Then, we analyzed its bulk electronic structure, and obtained the conclusion that the active positions of C₃S are approaching free oxygen atom(O_i). The paper researched different positions of C₃S doped with Mg. Analyzing the change of bulk electronic structure of C₃S, we found that the atomic orbitals of O_i moved. The stronger locality means the active positions of C₃S had changed. Finally, we compared the changes of PDOS, and found that the density of states of O_i reduced, confirming that the analysis of atomic orbitals was correct.

In summary, this paper conclude that active positions of Mg-doped C₃S crystals changed.

Keyword: tricalcium silicate; first principle calculation; Mg-doped; electronic structure

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 硅酸三钙晶体 2

1.2.1 硅酸三钙的基本性质 2

1.2.2 硅酸三钙理论方面研究 4

1.2.3 硅酸三钙实验方面研究 7

1.3 论文研究目的及内容 8

第二章理论基础及计算方法 9

2.1 前言 9

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理 10

2.2.2 Kohn-Sham方程 10

2.3 交换关联泛函形式 11

2.3.1 局域密度近似（LDA） 11

2.3.2 广义梯度近似（GGA） 11

2.4 CASTEP软件简介 11

2.4.1 CASTEP主要功能 12

2.4.2 CASTEP在分子晶体结构研究中的应用 12

第三章 硅酸三钙结构模拟 13

3.1 计算方法与模型 13

3.1.1 计算参数 13

3.1.2模拟硅酸三钙晶体结构及参数 13

3.2硅酸三钙体相电子结构分析 14

3.2.1硅酸三钙原子轨道分析 14

3.4本章小结 16

第四章 Mg掺杂硅酸三钙结构模拟 17

4.1 掺杂方式及掺杂位置 17

4.2 Mg掺杂形成能分析 17

4.3 Mg掺杂硅酸三钙分析 18

4.3.1 Mg掺杂硅酸三钙原子轨道分析 18

4.3.2 Mg掺杂硅酸三钙态密度图分析 19

4.5本章小结 20

第五章 结论与展望 21

5.1结论 21

5.2展望 21

参考文献 22

致 谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

近年来，由于工业的飞速发展使得水泥的生产量有了新的要求。而中国作为水泥的生产大国，水泥的生产量十分巨大，基本占世界水泥总产量的50%。在近现代建筑业和建筑材料已经不满足于水泥的产量，更注重的是水泥的性能，更复杂的建筑使得人们对高性能水泥的需求越加迫切。而如何生产高性能水泥是我们目前研究的热门课题。

水泥的成分比较复杂，但是其中比较主要的成分包括：硅酸二钙（C₂S）、硅酸三钙(C₃S)、铝酸三钙（C₃A）以及铁铝酸四钙(C₄AF)^[1]。其中硅酸三钙作为水泥的主要矿相，对水泥的影响最为明显，它在水泥中的含量、自身的晶体尺寸、晶型、晶貌以及电子参数等都可能对水泥熟料的性能产生很大影响。与水泥中其他成分相比，硅酸三钙决定着水泥的多种优异性能：

1) 硅酸三钙在水泥的各种成分中水化性质是最强的。

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