单层MoSSe力学性质的分子动力学模拟研究

硫硒化钼(MoSSe)是一种新型二维“双面神”半导体材料,具有丰富的物理、化学、力学与电学性质.本文基于Stillinger-Weber势函数,采用分子动力学模拟方法对不同温度下的完美和含晶界MoSSe单层结构展开详细的力学行为分析.结果表明:完美单层MoSSe结构的力学性能呈现明显的各向异性;在单向拉伸作用下,其杨氏模量、强度极限和极限应变均随温度的升高而降低;当温度低于100 K时,沿锯齿形手性方向受拉伸作用的单层MoSSe结构发生由六环蜂窝相向四方相的相变,新四方相的杨氏模量约为原相结构的1.3倍且强度显著提升;当温度高于100 K时,沿锯齿形手性方向拉伸呈现脆性断裂;含晶界单层MoSSe结构受拉伸作用首先在晶界处产生裂缝,并逐步扩展至整个结构后断裂.锯齿形偏向晶界结构的强度随倾斜角度的增大而降低,扶手椅形偏向晶界结构也呈下降趋势.本研究对基于单层MoSSe的电子器件的强度设计和性能优化具有重要指导意义.     

单层二硫化钼纳米带弛豫性能的分子动力学研究

采用分子动力学方法,基于REBO势函数研究了不同长宽比的单层二硫化钼纳米带在不同热力学温度(0.01—1600 K)条件下的弛豫性能.对弛豫过程中纳米带的能量变化和表面起伏程度进行了分析对比,研究了单层二硫化钼纳米带自由弛豫的动态平衡过程.仿真结果显示:理想温度(0.01 K)条件下,分子动能较低,振动振幅较小,并不足以使纳米带产生起伏现象;但在室温或高温条件下时,纳米带的边缘及内部均会出现一定程度的起伏;随着体系温度的升高以及纳米带长宽比的增加,起伏程度也会增大.最后,讨论了不同热力学温度条件下,手性对纳米带驰豫性能的影响.研究结果表明,不同于扶手椅型纳米带,锯齿型纳米带不仅会出现垂直于纳米带表面的起伏和弯曲,同时还会在纳米带面内出现明显的沿着宽度方向的弯曲现象.     

单轴应力场下钨中氦扩散行为的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学方法研究了沿<100>及<111>晶向的单轴应变对钨中单个氦原子扩散的影响。结果表明,应变会使得金属钨材料发生相变,且引起相变的临界应变随温度升高而减小。相变起始的应变在达到抗拉强度的应变附近。计算结果表明,拉应变使得单个氦原子在钨中的扩散系数发生骤降,在不同应变下扩散系数变化平缓。沿<100>晶向氦扩散系数随应变的增大而线性减小,而<111>晶向则出现了震荡变化趋势。研究结果表明,沿<100>晶向应变达到+0.15%时阿纽列斯方程不再适用,而沿<111>晶向应变大+5%阿纽列斯方程仍然适用;沿<111>晶向随应变增加氦扩散激活能减小,说明应变使得单个氦原子在钨中迁移性增强。     

含有缺陷3C-SiC陶瓷拉伸性能的分子动力学模拟

SiC纤维增韧SiC基复合材料(SiC_f/SiC)由于其优越的性能而成为新一代核能系统重要候选材料之一.材料中的缺陷会使材料的力学性能发生变化,本文运用分子动力学程序LAMMPS模拟计算了分别含有空位、微空洞和反位替代三种缺陷的3C-SiC结构体系沿[100]方向的拉伸变形过程,原子间相互作用采用Tersoff多体势描述.通过模拟得到不同缺陷体系的应力—应变曲线和拉伸过程中体系能量,通过分析应力-应变曲线,得到了不同缺陷体系的杨氏模量、断裂应变、拉伸强度随缺陷"浓度"的变化关系,最后分析了3C-SiC拉伸断裂机理.研究结果表明,空位和微空洞对杨氏模量、拉升强度的影响类似,都是随着缺陷"浓度"的增加而减小,反位替代缺陷使体系的杨氏模量随缺陷"浓度"的增加而增大.     

应变对单层二硫化钼能带影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,研究了双轴拉应变下单层二硫化钼晶体的电子结构性质．本文的计算结果表明对单层二硫化钼晶体施加一个很小的应变（0．5％）时,其能带结构由直接带隙转变为间接带隙．随着应变的增加,能带仍然保持间接带隙的特征,且禁带宽度呈现线性下降的趋势．通过对单层二硫化钼晶体态密度和投影电荷密度的进一步分析,揭示了单层二硫化钼晶体能带变化的原因．     

密度泛函理论研究高温高压下UO2弹性与热力学性能

采用第一性原理与准谐德拜模型研究UO2在高温高压条件下的弹性与热力学性能。UO2在高温高压下仍属离子型晶体,并且弹性性能计算表明,四角方向剪切常数在高温与高压下均保持稳定。高温下弹性常数C44没有明显变化,而高压下C44迅速增大。体积模量、剪切模量与杨氏模量均随压强增加而增大;高温条件下,体积模量、剪切模量与杨氏模量也未出现明显的降低,表明UO2在高温度高压下均可保持良好的力学性能。不同压强下,UO2定容热容均随温度迅速增大,并在1000 K 附近趋近于杜隆-佩蒂特极限。德拜温度则随温度降低,随压强升高。在低于室温条件下,热膨胀系数随温度急剧增加;温度继续增加,系数的增加趋势则逐渐变缓。计算结果还表明,UO2的热膨胀系数在相同条件下,远小于其他核材料。     

单轴拉伸下氧化锆纳米柱相变机理的分子动力学研究

通过分子动力学模拟,观察到[001]取向的四方氧化锆纳米柱在拉伸载荷下具有两个线弹性变形的应力-应变关系.这一现象是四方结构向单斜结构相变的结果 .为了进一步阐明应力-应变曲线,进行了包括晶体结构分析和原子应变计算在内的详细研究.晶格取向强烈影响塑性变形机制,即[001]和[111]取向的纳米柱在拉伸载荷下经历相变,而沿[110]取向的纳米柱导致脆性断裂.观察到显著的温度效应,随着温度从300K升高到1500K,弹性模量从573.45GPa线性降低到482.65GPa.此外,还用轻推弹性带(NEB)理论估算了相变能垒,观察到相变能垒随温度的升高而降低.这一工作将有助于加深对氧化锆的四方相到单斜相转变和纳米尺度力学行为的理解.     

单层石墨烯杨氏模量的理论模型

石墨烯力学性能的研究对其在半导体技术中的应用是十分重要的,本文基于半连续体模型并结合石墨烯纳米结构特性,通过对原子的描述构建了石墨烯形变分量和位移分量的新关系,从而给出了单层石墨烯结构形变能,并计算了不同尺寸单层石墨烯的杨氏模量值.通过对不同方向杨氏模量的分析,讨论了单层石墨烯的手性行为.结果表明:随着尺寸的增加,单层石墨烯两个方向的杨氏模量分别趋于0.746 TPa和0.743 TPa,当尺寸相同时,两方向杨氏模量的最大差值不超过0.003 TPa,此结果与文献报道结果相符.在小应变情况下,单层石墨烯薄膜呈各向同性,且薄膜尺寸变化对该特性影响不大.该计算结果对研究石墨烯的其它力学特性提供一定的参考价值.     

退火温度调控多层折叠石墨烯力学性能的分子动力学模拟

退火是石墨烯宏观组装材料常用的制备工艺之一,广泛用于其性能的调控.在石墨烯基材料中,石墨烯片层由于其自身的二维特性通常在微纳米尺度下呈现出多层折叠的结构.然而这种微观结构对材料力学性能退火调控的影响仍未得到充分的了解.为了阐明多层折叠石墨烯力学性能与退火温度间的调控关系,基于分子动力学模拟研究了材料弹性模量、拉伸强度、极限应变以及断裂韧性等关键力学性能参数随退火温度的变化规律,进而结合观察微观结构的演化过程揭示了性能调控现象的物理机制.结果表明:更高的退火温度将增强多层折叠石墨烯的弹性模量与拉伸强度,但同时削弱了其极限应变,并且其断裂韧性能够在一定退火温度范围内实现强化.研究发现,以上力学性能的调控作用归因于更高的退火温度将造成更加密集的层间交联,从而增强了折叠区域层间界面的相互作用,并限制了折叠结构的形态展开,致使结构破坏模式发生转变.     

高应变率下温度对单晶铁中孔洞成核与生长影响的分子动力学研究

采用嵌入原子势的分子动力学模拟方法,研究了5×10~9 s~(–1)应变率下,温度效应对单晶铁中孔洞成核与生长的影响,并对NAG (nucleation and growth)模型在单晶铁中的适用性进行了探讨.结果表明:随着温度的升高,单晶铁的抗拉强度峰值降低, 1100 K温度下单晶铁抗拉强度峰值比100 K温度下降低了35.9%.在100—700 K温度下,拉应力时程曲线表现出双峰值特点,分析表明,第一峰值是由于拉应力升高引起内部结构发生相变而产生,第二峰值则是因发生孔洞成核与生长而产生; 900—1100 K温度下,拉应力时程曲线表现为单峰值,孔洞成核与生长是拉应力下降的主要原因.分析发现,孔洞在高温下更容易成核,高应变率下单晶铁中孔洞成核与生长和NAG模型有较好的符合度,单晶铁中孔洞成核阈值与生长阈值都远高于低碳钢,并且孔洞成核阈值与生长阈值随着温度的升高而逐渐降低.研究结果可为建立高应变率下金属材料动态损伤演化模型提供借鉴.     

堆垛层错和温度对纳米多晶镁变形机理的影响

本文采用分子动力学模拟方法研究了在拉伸载荷下,堆垛层错和温度对纳米多晶镁力学性能的影响,在模拟中,采用嵌入原子势描述镁原子之间的相互作用．计算结果表明：在纳米晶粒中引入堆垛层错能明显增强纳米多晶镁的屈服应力,但堆垛层错对纳米多晶镁杨氏模量的影响很小;温度为300．0K时,孪晶在晶粒交界附近形成,孪晶随着拉伸应变的增加而逐渐生长．当拉伸应变达到0．087时,一种基面与X—Y面成大约35°角且内部包含堆垛层错的新晶粒成核并快速增长．也就是说,孪晶和新晶粒的形成和繁殖是含堆垛层错的纳米多晶镁在300．0K温度下的主要变形机理．模拟结果也显示,当温度为10．0K时,位错的成核和滑移是含堆垛层错的纳米多晶镁拉伸变形的主要形式．     

拉伸法测Vicryl缝合线的力学性能

在FD-YC-II型杨氏模量测定仪的基础上,用JCD3型读数显微镜代替JC10型读数显微镜.在室温下利用拉伸法测1-0型Vicryl缝合线加载卸载时的轴向伸长量,得到了Vicryl缝合线的应力-应变曲线、拉伸强度为518.824 MPa、断裂伸长率为14.087%、屈服应力为76.8 MPa、屈服应变为1.57%,杨氏模量为81.505 MPa.最后测定了Vicryl缝合线的应力-应变滞后回线.     

温度对金刚石涂层膜基界面力学性能的影响

利用分子动力学方法建立了硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型, 并采用Morse势函数和Tersoff势函数相互耦合的方法来表征模型内原子间的相互作用关系, 在此基础上对不同温度(0–800 K)条件下硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的力学性能进行了分子动力学仿真计算. 结果表明: 当温度由0 K上升到800 K的过程中, 金刚石涂层膜基界面拉伸强度呈下降趋势, 并且在0–300 K范围内下降趋势明显, 在300–800 K范围内下降趋势缓和; 体系能量随温度的变化具有相同的下降趋势.     

模拟研究碳纳米管的热稳定性质

运用分子动力学方法具体模拟研究单个碳纳米管（CNTs）在加热过程中的结构变化．选择多组不同结构的单壁碳纳米管（SWCNTs）和双壁碳纳米管（DWCNTs）作为研究对象,加热温度从室温开始到4000 K,压强保持为1 atm．结果表明单壁碳管中手性型结构热稳定性最好,其次是扶手椅型和锯齿型,当手性角相同时,直径大的热稳定性更高;对于双壁碳管,研究表明当双壁中至少之一为手性结构时其热稳定好,而内外壁均为锯齿结构的稳定性最差,该结果进一步支持了有关单壁碳管的结论;还从理论上探索了描述结构热稳定性的方式,并在键层 关键词： 单壁碳纳米管 双壁碳纳米管 分子动力学方法 热稳定性能     

碲镉汞红外焦平面探测器封装用4J36 合金深低温力学性能研究

为了提高碲镉汞红外焦平面探测器封装结构的可靠性, 获得组件材料的深低温力学性能十分重要. 4J36合金具有极低的膨胀系数且材料焊接性能较好, 广泛应用于封装结构中的冷平台部分. 本文在300 K~4.2 K 温度区间内对4J36 合金进行了热力学性能试验, 获得了材料随温度变化的动态热力学参数; 在300 K、77 K、4.2 K 温度下对4J36 试件进行了拉伸试验, 获得了相应的工程应力应变曲线和力学性能参数; 通过扫描电镜对断口形貌进行了微观结构分析, 获得了4J36 合金拉伸断口微观组织和性能的变化规律. 试验结果表明4J36 材料在300 K ~4.2 K 温度范围内平均线膨胀系数为2.08×10-6/K, 从300 K 到77 K,4J36 合金的比热容随温度降低而减小; 在300 K~4.2 K 温度区间内, 随温度降低, 合金的抗拉强度和屈服强度显著提高, 而弹性模量断后伸长率降低; 由拉伸断口宏观和微观形貌看出在300 K、77 K 和4.2 K 下4J36 合金拉伸试件的断裂模式均为韧性断裂. 试验研究结果将对4J36 合金在红外焦平面探测器组件的低温应用方面提供试验依据.     

加氢单壁硅纳米管的热稳定性与拉伸力学特性

采用Tersoff势的分子动力学方法,研究外部加氢及内/外加氢单壁硅纳米管的热稳定性与拉伸力学特性,进而将两种单壁硅管与(14,14)碳纳米管的拉伸特性进行对比.研究结果表明:①外部加氢和内/外加氢单壁硅管的"骨架"结构近似于单晶硅的{110}晶面,两种硅管分别只能在低于150 K和75 K的温度下稳定存在;②外部加氢以及内/外加氢硅管硅的抗拉强度分别为4.0和1.2 GPa,断裂应变(抗拉强度对应的应变)分别为35%和32%,均远小于(14,14)碳管的抗拉强度和断裂应变.     

剪切形变下磷烯的力学和热学性能

磷烯是一种新型的二维半导体材料,近年来得到了研究者们的广泛关注.通过分子动力学模拟对磷烯在剪切形变下的力学和热学性能进行了系统探究.磷烯的剪切力学呈现出各向同性的特点,沿扶手椅与锯齿方向的剪切模量均约为22 GPa.磷烯的断裂强度和极限应变对温度十分敏感,高温会显著削弱磷烯抗剪切形变的能力.无应变时磷烯沿锯齿与扶手椅方向热导率的各向异性比为2.83.当对磷烯施加剪切应变时,磷烯沿扶手椅方向的热导率随着剪切应变的增大而减小,但是剪切应变对磷烯锯齿方向热导率的影响则相对较弱.通过对磷烯的声子态密度分析发现,剪切形变主要对其柔性声子模式的振动特性具有显著影响,使高频声子发生了红移.同时,剪切形变的存在会严重改变晶格的非简谐振动,继而在不同程度上对磷烯声子间的散射产生重要的影响.磷烯声子态密度的改变以及声子散射通道的变化共同决定了其在剪切形变下的导热特性.     

单壁碳纳米管弹性性质的羟基接枝效应

用分子动力学方法研究了端口接枝不同数量羟基对扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管弹性模量的影响.结果表明,未接枝的扶手椅型(5, 5),(10,10)管和锯齿型(9, 0),(18, 0)管杨氏模量分别为948,901和804,860GPa.在接枝2—8个羟基情况下,锯齿型单壁碳纳米管拉伸杨氏模量基本不随接枝数量增加发生变化,而扶手椅单壁碳纳米管则不同,接枝状态下的弹性模量比未接枝状态小很多,但接枝一定数量后,其杨氏模量又略增到某一稳定值.分别从接枝后碳纳米管变形电子密度等值线结构、C—C键长和系统结合能变化规律等方面,对单壁碳纳米管弹性模量的接枝效应进行了分析. 关键词： 碳纳米管 羟基 接枝效应 杨氏模量     

单壁碳纳米管杨氏模量的掺杂效应

用分子动力学方法研究了N,O,Si,P,S等5种杂质对扶手椅型(5，5)和锯齿型(9，0)单壁碳纳米管杨氏模量的影响.结果表明：直径为0.678和0.704 nm的扶手椅型(5，5)和锯齿型(9，0)碳纳米管在无掺杂时其杨氏模量分别为948和804 GPa.在掺杂浓度10％以下，碳纳米管的拉伸杨氏模量均随掺杂浓度增加近似呈线性下降规律，下降率以Si掺杂最大，N掺杂最小.对与C同周期的元素掺杂，随原子序数增加碳纳米管的杨氏模量下降率增大；与C不同周期的元素掺杂，碳纳米管的杨氏模量随掺杂浓度增加下降率更大，但 关键词： 碳纳米管 杂质 杨氏模量 分子动力学方法     

LiB3O5晶体高温拉曼光谱研究

研究了LiB3 O5晶体在不同温度下(在300-1173 K的温度范围)的拉曼光谱,分析了LBO晶体结构随温度变化的规律.随着温度的升高,LBO晶体的拉曼光谱谱峰都不同程度地向低波数方向移动,也存在不同程度的展宽,同时强度减弱.发现晶体在1100 K存在明显相变,与LBO晶体的相图给出的1107 K的相变温度基本相符.