外力诱导吸附高分子单链的拉伸分子动力学研究

采用拉伸分子动力学方法研究聚乙烯单链在真空中从一个强吸附表面被拉伸的动力学过程. 当聚乙烯单链从中间1/3处被拉伸时,通过理想弹簧可测量其平均力〈f〉,发现在拉力与拉伸距离的曲线上出现了两个平台,这与实验结果非常一致,同时研究了在这个过程中链的形状变化情况,发现形状变化经历了四个阶段. 当聚乙烯单链的一端与吸附表面成一定倾斜角拉伸时,发现通过理想弹簧测量到的平均吸附力〈f〉与倾斜角θ在θ>20°的范围里总保持线性关系,并且其斜率随着拉伸速度的增加而增 关键词： 拉伸分子动力学 聚乙烯链 吸附现象     

〈111〉晶向冲击加载下单晶铜中纳米孔洞增长的早期动力学行为

利用分子动力学方法模拟计算了单晶铜中纳米孔洞在沿〈111〉晶向冲击加载下增长的早期过程.测量发现不同加载强度下等效孔洞半径随时间近似成线性变化.观测到单孔洞增长的两种位错生长机理：加载强度较低时，只在沿着冲击加载方向的孔洞顶点附近区域有位错的成核和运动；而随着加载强度超过一定阈值，在沿冲击加载和其垂直方向的孔洞顶点区域都观察到位错的成核和运动.在前一种机理作用下，孔洞只沿加载方向增长；在后一种机理作用下，孔洞同时沿加载和垂直于加载方向增长.分析孔洞表面原子的位移历史，发现沿加载及与其垂直方向的孔洞顶点沿径向的速度基本恒定，由此提出了一个孔洞生长模型，可以解释孔洞增长的线性生长规律. 关键词： 纳米孔洞 分子动力学 冲击加载 位错     

铁冲击相变的分子动力学研究

用分子动力学方法模拟了单晶铁(Fe)在一定初始温度下冲击相变(α相→ε相)的微观过程，结果显示温度会导致冲击相变压力阈值降低.基于此微观过程，对加卸载波系的传播规律进行了相应计算和分析，结果表明在卸载过程中逆相变波(ε相→α相)相对于波前以当地纵波声速传播，而相对波后以亚声速传播，这可由卸载压力-密度曲线给出相应解释；计算了不同初态的卸载压力-密度状态曲线，并给出了逆相变带的分布，其分布规律显示了卸载过程逆相变的滞后现象. 关键词： 分子动力学 多体势 冲击波 相变     

冲击作用下纳米孔洞动力学行为的多尺度方法模拟研究

本文利用多尺度方法研究了包含孔洞金属材料在冲击加载条件下的动力学行为. 该多尺度方法结合了分子动力学和有限元方法,分子动力学方法运用于局部缺陷区域,而有限元方法运用于整个模型区域,两种方法之间使用桥尺度函数进行连接. 计算结果既包括了系统宏观的物理信息,如应变场、应力场、温度场等,也得到了微观原子的物理信息,如原子能量和位置坐标等. 结合以上的模拟结果,发现孔洞的坍塌与材料屈服强度和冲击强度有关,而孔洞坍塌和坍塌过程中对微喷射原子的压缩过程是形成局部热点的主要原因. 同时也发现孔洞坍塌形成的位错和局部热点可以导致局部绝热剪切带更容易形成. 关键词： 微孔洞 热点 冲击加载 多尺度方法     

冲击波压缩下含纳米孔洞单晶铁的结构相变研究

利用分子动力学模拟方法对含纳米孔洞的单晶铁在冲击波压缩下的结构相变(由体心立方结构α到六角密排结构ε)进行了研究,单晶铁样品的尺寸为17.2nm×17.2nm×17.2nm，总原子数428341个，在样品的中央预置一个直径为1.12nm的孔洞，利用一活塞分别以350，500，1087m/s的速度撞击样品产生冲击波，对应的冲击波压缩应力分别为12，17，35GPa.撞击方向沿单晶铁的［100］晶向.计算结果表明，在冲击波压缩下，孔洞对铁中的相变起了诱导作用，伴随着孔洞的塌陷，相变首先出现在孔洞周围的(011)面和(011)面上，然后扩展到整个样品.通过分析冲击压缩下原子的位移历史，解释了相变的微观机制，发现孔洞周围的原子在{011}面上沿〈011〉晶向滑移，离孔洞中心距离越近的{011}面上的原子容易滑移，间隔一层的{011}面与相邻层原子的移动位移幅度不同，这种相对滑移导致出现了新的结构(hcp结构). 关键词： 相变 分子动力学 冲击波 纳米孔洞     

Sn的分析型键级势

基于类似于Tersoff-Brenner模型的键级势架构, 从Sn的5种几何构型的基本物性第一性原理计算结果和实验结果出发, 通过Levenberg-Marquardt方法建立了Sn的分析型键级势.利用得到的相互作用势和分子动力学方法, 计算了Sn的β 相和体心四方晶体相的晶体结构、结合能、键距、键能以及体变模量, 并进而计算了Sn的α 和β 相的自由能、内能和熵随温度的变化.结果表明, β 相和体心四方晶体相的基本物性以及α↔β 相变温度计算结果与实验值符合良好, 建立的分析型键级势可用于Sn基钎料合金性质的大尺度分子动力学模拟. 关键词： 原子间相互作用势 Sn 分子动力学 第一性原理     

基于太极形介质柱六角光子晶体禁带特性研究

提出了一种新型的非对称性散射体的二维六角晶格光子晶体结构–-太极形介质柱光子晶体. 利用平面波展开法从理论研究这种光子晶体结构的能带特性以及结构参数对完全禁带的影响. 研究表明:散射体对称性的打破, TE模和TM模能带宽度和数目都会有所增加, 有益于获得更宽的完全禁带以及更多条完全禁带.通过参数优化, 发现在ε = 17, R=0.38 μm, r=0.36R, θ = 0° 时, 获得最大完全带隙宽度0.0541(ωa/2πc); 在ε = 16, R=0.44, r=0.2R, θ = 0°时, 光子晶体完全带隙数目最多达到8条. 关键词： 光子晶体 禁带 平面波展开     

载能Ni原子斜入射Pt(111)表面的分子动力学模拟

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势,利用分子动力学模拟,详细研究不同角度入射的载能Ni原子在Pt(111)基体表面的沉积过程.结果表明,随着入射角度θ从0°增加到80°,溅射产额、表面吸附原子产额、空位产额的变化情况均可按入射角度近似地分为θ≤20°,20° < θ < 60°和θ≥60°三个区域.当θ≤20°时,载能沉积对基体表面的影响与垂直入射时的情况类似,表面吸附原子的分布较为集中,入射原子容易达到基体表面第二层及以下,对基体内部晶格产生-定的影响;在20° < θ < 60°的范围内,入射原子的注入深度有所下降,对基体内部晶格的影响减小,表面吸附原子的分布较为均匀,有利于薄膜的均匀成核与层状生长;当θ≥60°时,所有入射原子均直接被基体表面反射,表面吸附原子产额、溅射产额、表面空位产额均接近0,载能沉积作用没有体现.     

冲击加载下铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征研究

通过分子动力学模拟研究了在相同冲击加载强度下单晶铝中氦泡和孔洞的塑性变形特征,结果发现氦泡和孔洞的塌缩是由发射剪切型位错环引起的,而没有观测到棱锥型位错环发射. 氦泡和孔洞周围的位错优先成核位置基本一致,但是氦泡周围发射的位错环数目比孔洞多,位错环发射速度明显比孔洞快. 且氦泡和孔洞被冲击波先扫过部分比后扫过部分发射位错困难. 通过滑移面上的分解应力分析发现,氦泡和孔洞周围塑性特征的差别是由于氦泡内压引起最大分解应力分布改变造成的. 氦泡和孔洞被冲击波先后扫过部分塑性不对称是因为冲击波扫过时引起形状变化, 关键词： 分子动力学 冲击波 氦泡 孔洞     

Fe基α相合金的冲击相变及其对层裂行为的影响研究

利用正向加载和逆向加载相结合的实验方法,实验研究了从低压到高压三种不同压力范围内Fe基α相合金(Fe-85.03wt%,Mn-7.63wt%,Ni-7.01wt%,Al-0.3wt%)的冲击相变和卸载逆相变历程及对应加载状态的层裂行为特征.给出了Fe基α相合金含冲击相变和卸载逆相变的加卸载Hugoniot线,发现冲击相变阈值、逆相变阈值和冲击加载压力共同决定其冲击加卸载历程,冲击相变强烈影响其层裂行为,导致样品发生了"异常"层裂.利用获得的冲击加卸载历程从应力波相互作用的角度解 关键词： α相合金')" href="#">Fe基α相合金 相变 逆相变 层裂     

面心立方铜晶体中空洞生长与贯通的尺寸效应

利用分子动力学方法模拟沿拉伸方向排布的两个空洞在单轴拉伸作用下的动力学行为.着重研究不同尺寸空洞对其拉伸贯通过程的影响.结果表明,不同尺度的空洞都是通过空洞表面发射位错环长大与贯通的.空洞在弹性阶段沿加载方向缓慢长大,在塑性阶段沿垂直方向生长后形成类八面体形状.随空洞尺寸的减小,临界屈服应力逐渐增大.当半径较大时,位错对称成核、迁移,空洞沿加载方向被拉长,演化过程相似;当半径较小时,位错不对称成核,空洞沿垂直方向被拉长.空洞生长分为弹性变形、独立长大、融合贯通和平稳生长四个阶段.独立生长阶段随尺寸的减小逐渐缩短甚至消失.     

Investigation on dislocation-based mechanisms of void growth and coalescence in single crystal and nanotwinned nickels by molecular dynamics simulation

Abstract

Molecular dynamics simulations were conducted to elucidate dislocation mechanisms of the void growth and coalescence in single crystal and nanotwinned nickels subjected to uniaxial tension. The simulation results reveal that twin boundary is capable of decreasing the critical stress, suppressing the emission of dislocations and reducing the overall stiffness of the crystal. A size-scale dependence of critical stress is definitely illustrated through stress–strain response, where the larger void size leads to the lower critical stress and strain. It is the successive emissions of leading partials and the subsequent trailing partials that cause the atoms on the void surfaces to escape from the void surfaces continually, and consequently the voids grow to be larger and larger with increasing strain. The voids in the nanotwinned nickel coalesce earlier than those in the single crystal nickel even though the initiation of dislocations in the former is later than that in the latter. Void fraction remains a constant during elastic deformation, while it presents a linear increase with increasing strain during plastic deformation. Evolution of void fraction during void growth and coalescence is independent on void size.     

Vapor Pressure Assisted Void Growth and Cracking of Polymeric Films and Interfaces

Pores and cavities form at filler particle-polymer matrix interfaces, at polymer film-silicon substrate interfaces as well as in molding compounds of IC packages. Moisture diffuses to these voids. During reflow soldering, surface mount plastic encapsulated devices are exposed to temperatures between 210 to 260°C. At these temperatures, the condensed moisture vaporizes. The rapidly expanding water vapor can create internal pressures within the voids that reach 3–6 MPa. These levels are comparable to the yield strengths of epoxy molding compounds and epoxy adhesives, whose glass transition temperatures T _g range between 150 to 300°C. Under the combined action of thermal stress and high vapor pressure (relative to the yield strength at T _g), both pre-existing and newly nucleated voids grow rapidly and coalesce. In extreme situations, vapor pressure alone could drive voids to grow and coalesce unstably causing film rupture, film-substrate interface delamination and cracking of the plastic package.Vapor pressure effects on void growth have been incorporated into Gurson's porous material model and a cohesive law. Crack growth resistance-curve calculations using these models show that high vapor pressure combined with high porosity bring about severe reduction in the fracture toughness. In some cases, high vapor pressure accelerates void growth and coalescence resulting in brittle-like interface delamination. Vapor pressure also contributes a strong tensile mode component to an otherwise shear dominated interface loading. An example of vapor pressure related IC package failure, known as popcorn cracking, is discussed.     

Void coalescence in metals at high irradiation doses

Mechanism of void coalescence in a metal irradiated by fast particles : p to high doses in dpa is theoretically investigated. It is shown that the decrease of void concentration with the dose increase due to the coalescence of immobile but growing voids must obey the dependence N ₀ ～ exp {-α(δ V/V)(t)}, where δV/V(t) is the void swelling at a time moment t, and α is a constant, the value of which is in the interval 1 < α < 8 and seems to be close to α ≈ 6.

It is shown that the void concentration as a function of irradiation dose : hould have a maximum when the void swelling δ V/V reaches some definite value between 2% and 17% depending upon the void size distribution form.     

沿〈111〉晶向冲击加载下铜中纳米孔洞增长的塑性机制研究

 用分子动力学方法计算模拟了沿〈111〉晶向冲击加载过程中，单晶铜中纳米孔洞（直径约1.3 nm）的演化及其周围区域发生塑性变形的过程。模拟结果表明，在沿〈111〉晶向冲击加载后，在面心立方（fcc）结构中的4族{111}晶面中有3族发生了滑移。伴随孔洞的增长，在所激活的3族{111}晶面上，观察到位错在孔洞表面附近区域成核，然后向外滑移，其中在剪切应力最大的〈112〉方向上，其位错速度超过横波声速，其它〈112〉方向的位错速度低于横波声速。模拟得到的位错阻尼系数范围与实验值基本符合。由于孔洞周围产生的滑移在空间比较对称，孔洞增长形貌接近球形。在恒定的冲击强度下，孔洞半径增长速率近似保持恒定，其速率随着冲击强度的增加而增大。     

Simulation of PD patterns due to a narrow void in different E-field distribution

For simulation of Partial Discharge (PD) patterns, a Finite Difference Method (FDM) based model is put forward, in which three significant PD parameters are incorporated, viz. the critical field intensity for partial discharge occurrence E_c, residual field intensity E_r and locations of voids inside the dielectric. The void taken in this simulation is a narrow rectangular parallelepiped, i.e. the length and breadth of the void (in the direction normal to the field) is less compared to the height (in the direction of the field) of the void. In this paper, three different electrode systems are considered, viz. Plane–Plane, Point–Plane and Point–Point. The supply voltage is considered to be sinusoidal in nature. PD simulations for different locations of voids inside the dielectric for these three configurations are carried out considering occurrence of PD and residual field to be stochastic in nature for a constant E_c. The inception and extinction of PD, effect of applied voltage on PD, shape of PD patterns in relation to instantaneous released charge amplitude, and the amount of charge which is released due to PDs during a course of time, are studied and reported in this paper.     

强冲击载荷下含杂质的纯铝中微孔洞长大的动力学行为

采用LS-DYNA瞬态动力学有限元程序,对平板撞击加载下含初始杂质的纯铝样品中微孔洞的成核与长大进行了数值模拟。结果表明:微孔洞首先在杂质与基体的边界处成核,随后在局部严重塑性变形驱动下快速线性增长;微孔洞半径的增长速率与冲击加载强度两者之间近似成线性关系;材料屈服强度和初始杂质的大小对微孔洞相对的增长速率有明显的影响;当微孔洞长大阈值取屈服强度的3.5倍时,数值仿真结果与理论分析结果基本一致,这有助于进一步认识孔洞长大的动力学行为。     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.