纳米多晶金属样本构建的分子动力学模拟研究

研究了分子动力学模拟中纳米多晶金属样本的构建过程.首先采用Voronoi几何方法生成初始的纳米多晶铝和铜样本,然后用快速冷凝(或共轭梯度)法得到样本的局域最低能态,最后在恒温零应力周围环境下(常温常压NPT系综)退火得到最低能态样本.使用样本的残余内应力来衡量纳米多晶样本是否与实验制备的一致.通过监测这两步弛豫过程中晶界结构的变化形态、体系平均内应力和能量下降过程及具体的局域分布和不同弛豫条件下最终样本的弹性常数,发现样本的能量和残余内应力都接近实验制备的纳米多晶金属.对Voronoi几何法生成的晶界而言     

纳米多晶铁的冲击相变研究

利用分子动力学方法研究了不同晶粒度的纳米多晶铁在冲击压缩下的结构相变过程,模拟结果表明:纳米多晶铁的冲击结构相变(由体心立方(bcc)结构 α 相到六角密排(hcp)结构 ε 相)发生的临界冲击应力在15 GPa左右.纳米多晶铁在经过弹性压缩变形后,晶界导致的塑性变形开始发生,然后大多数相变从晶界成核并最终发展为大规模相变.不同变形过程在应力和粒子速度剖面上能得到清晰的体现,并通过微观原子结构分析分辨.冲击压缩后的微观结构以晶界原子和以fcc结构原子充当孪晶界的hcp原子为主.晶粒度明显影响晶界变形及相变 关键词： 冲击相变 纳米多晶铁 冲击波 分子动力学     

金属Cu晶化与玻璃化行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法,运用Mishin镶嵌原子模型,研究了液态Cu在不同冷却条件下的晶化与玻璃化行为.记录了系统能量、体积、径向分布函数及公共近邻的变化,并在0K分析了弛豫后系统原子内能、原子Voronoi体积及原子应力等热力学性质的分布情况.模拟结果表明,在较慢的冷却条件下,液态Cu形成晶态;在较快的冷却条件下,液态Cu形成非晶态.与晶态Cu比较,金属玻璃Cu有较高的能量和较大的体积,其内部晶格畸变导致了本征应力的存在.     

纳米多晶铜的超塑性变形机理的分子动力学探讨

在聚能装药爆炸压缩形成射流的过程中, 伴随着金属药型罩的晶粒细化, 从原始晶粒30-80 μm细化到亚微米甚至纳米量级, 从微观层面研究其细化机理和动态超塑性变形机理具有很重要的科学意义. 采用分子动力学方法模拟了不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的单轴拉伸变形行为, 得到了不同晶粒尺寸下的应力-应变曲线, 同时计算了各应力-应变曲线所对应的平均流变应力. 研究发现平均流变应力最大值出现在晶粒尺寸为14.85 nm时. 通过原子构型显示, 给出了典型的位错运动过程和晶界运动过程, 并分析了在不同晶粒尺寸下纳米多晶铜的塑性变形机理. 研究表明: 当晶粒尺寸大于14.85 nm时, 纳米多晶铜的变形机理以位错运动为主; 当晶粒尺寸小于14.85 nm时, 变形机理以晶界运动为主, 变形机理的改变是纳米多晶铜出现软化现象即反常Hall-Petch关系的根本原因. 通过计算结果分析, 建立了晶粒合并和晶界转动相结合的理想变形机理模型, 为研究射流大变形现象提供微观变形机理参考.     

固态镓的电子结构

本文采用第一性原理分子动力学方法,在让原子得到充分弛豫后,计算了固体镓的电子结构。结果与实验相符合。通过计算总能随体积的变化,讨论了零温下固体镓的相稳定性。结果表明在α-Ga中,最近邻原子之间存在共价性从而导致电阻各向异性,而镓的其它相均为良好的金属。 关键词：     

基于graphene条带的硅纳米结构

采用分子动力学模拟方法研究了graphene条带上生长硅纳米结构的过程,分析了不同温度下硅原子在graphene条带边沿生成的新型纳米结构.研究表明,随机分布的硅原子吸附到锯齿型graphene条带边沿在不同的温度T下可生成不同类型的硅纳米结构：300K≤T<2000K时形成无规则的团簇,2000K≤T≤2800K时形成单原子链结构,2800K<T<3900K时形成含缺陷的硅链结构,T≥3900K时硅原子逐渐替代条带边沿的碳原子直至graphene条带破坏.而硅原子吸附到扶手椅型graphene条带边沿在300K≤T<3000 K内仅能形成非链状的不定型的硅纳米结构. 关键词： graphene 硅 纳米结构 分子动力学模拟     

能量粒子轰击金刚石的计算机模拟

利用Tersoff势和分子动力学方法研究了初始动能为500 eV的硼粒子注入金刚石的微观行为.结果表明：硼注入后产生温度为5000 K的热峰，其寿命为0.18 ps；同时产生半径为0.45 nm局部非晶化区域，三重配位原子数占该区域原子数的7%.薄膜表层原子向内弛豫，近表层原子向外弛豫，表面层与近表层原子的间距减少了15%，表面层表现为压应力.硼原子以B<110>分裂间隙的形式存在于金刚石结构中. 关键词： 分子动力学模拟 金刚石 硼 注入     

分子动力学模拟纳米晶体铜的结构与性能

通过分子动力学方法模拟纳米面心立方晶体铜的结构，并对模拟的结果进行了不同晶粒尺寸的纳米晶体的密度、能量分布以及弛豫前后的X射线衍射、径向分布函数等计算.结果表明，大体积分数的晶界和畸变的晶粒是纳米晶体有别于传统的粗晶粒晶体材料结构的重要方面，由此导致纳米晶体一系列不同性能. 关键词：     

纳米铜团簇在常温和升温过程中能量特征的分子动力学研究

采用分子动力学方法和F-S多体势函数，模拟研究纳米铜团簇常温下能量特征及其在升温直到熔化过程中的变化，确定了常温下纳米铜团簇的表面原子厚度和表面能，给出在不同温度下纳米铜团簇能量大小分布比例和能量的概率密度，细致描述了团簇升温过程团簇内部原子和表面原子之间不同的变化特征. 关键词： 铜团簇 分子动力学 能量特征 温度     

AuCu3熔体快速冷却过程中的键对与多面体

利用分子动力学模拟技术研究了由周期性边界条件控制的375个铜原子、125个金原子组成的金属间化合物AuCu3熔体的快速冷凝过程.利用双体分布函数、键对分析技术、多面体等方法详细考察了快速凝固条件下AuCu3中微观组团随温度的演化特点.结果表明,降温至700K左右时双体分布函数第二峰发生劈裂,液态AuCu3金属中产生了非晶态,非晶转变温度约为680K;AuCu3在向非晶转变的过程中,其微观结构组态具有选择性,其中缺陷多面体随温度变化最为剧烈,而hcp与fcc结构对温度不敏感.     

冲击波在纳米金属铜中传播的分子动力学模拟

使用分子动力学方法模拟了冲击波在纳米金属铜中的传播,模拟样品由Voronoi方法得到.结果显示纳米金属铜在冲击加载下呈现多次屈服的现象,并发现冲击波具有多波结构.由于设计样品时选择了晶粒取向,晶界滑移和位错在冲击波波形上被区分开.冲击波波阵面由弹性变形区、晶界滑移主导的塑性变形区和位错主导的塑性变形区组成.样品中弹性波前沿扰动较小,而位错主导的塑性波前沿扰动较大,造成后者的主要原因是波阵面上沿冲击方向不同取向晶粒的不同屈服行为.     

Specific features of helium penetration into single-crystal and nanocrystalline copper under deformation in liquid helium

This paper reports on experimental data on the penetration of helium atoms into single-crystal and nanocrystalline copper samples subjected to tensile and compressive strains at T=4.2 K, respectively. The dependences of the helium concentration N in the samples on the strain ? and the curves of helium extraction in the temperature range 300–1000 K at different strains ? are determined. It is found that the dependences N(?) and σ(?) correlate qualitatively with each other for single-crystal copper and do not correlate for nanocrystalline copper. This is associated with the different mechanisms of deformation in these samples. The deformation proceeds through the dislocation mechanism in single-crystal copper and through the jumpwise (twinning, rotational) mechanisms in nanocrystalline copper during local heating in regions of plastic shears. These factors are also responsible for the considerable difference between the curves of helium extraction from samples of both types. The curves of helium extraction exhibit two maxima for single-crystal copper and five maxima for nanocrystalline copper samples. The results obtained are discussed in terms of both the dynamic dislocation pipe diffusion and grain-boundary mechanisms of particle penetration from the surrounding medium into copper through different-type moving defects under applied stresses and due to the gradient of the chemical potential at the metal-surrounding medium interface.     

Deformation characteristics of nanocrystalline copper and nickel at low temperatures

Measurements were made of the deformation and fracture characteristics of nanocrystalline copper and nickel at temperatures between 4.2 and 300 K. It was observed that the flow stresses are sensitive to the sign of the load while deformation instability was observed at temperatures close to liquid-helium temperature. The temperature dependence of the yield stress was obtained. It was found that there is a range of a thermal deformation at low temperatures which extends to 60 K for nickel and 200 K for copper. Possible reasons for these characteristics in the deformation behavior of nanocrystalline materials are discussed, especially the role of quantum effects in the low-temperature deformation. Fiz. Tverd. Tela (St. Petersburg) 40, 1264–1267 (July 1998)     

纳米多晶铜中冲击波阵面的分子动力学研究

冲击波阵面反映材料在冲击压缩下的弹塑性变形行为以及屈服强度、应变率条件等宏观量, 还与冲击压缩后的强度变化联系. 本文使用分子动力学方法, 模拟研究了冲击压缩下纳米多晶铜中的动态塑性变形过程, 考察了冲击波阵面和弹塑性机理对晶界存在的依赖, 并与纳米多晶铝的冲击压缩进行了比较. 研究发现: 相比晶界对纳米多晶铝的贡献而言, 纳米多晶铜中晶界对冲击波阵面宽度的影响较小; 并且其塑性变形机理主要以不全位错的发射和传播为主, 很少观察到全位错和形变孪晶的出现. 模拟还发现纳米多晶铜的冲击波阵面宽度随着冲击应力的增加而减小, 并得到了冲击波阵面宽度与冲击应力之间的定量反比关系, 该定量关系与他人纳米多晶铜模拟结果相近, 而与粗晶铜的冲击压缩实验结果相差较大.     

Influence of impurities on the low-temperature deformation of nanocrystalline copper

The influence of ZrO₂ particles on the low-temperature deformation of nanocrystalline copper produced by strong plastic deformation is investigated using equichannel angular pressing. A comparison is made between the deformation characteristics in tension and compression in the temperature range 4.2–400 K, measured for copper and the composite Cu:0.3 vol. % ZrO₂. It is shown that within 4.2–200 K the yield point σ _sm of the composite is higher than that for copper, attaining 680 MPa at 4.2 K, then the yield points are close in value up to room temperature, and diverge again as the temperature is raised. Possible causes of the dissimilar influence of an impurity on the strength and plasticity characteristics of nanocrystalline copper in various temperature intervals are discussed. Fiz. Tverd. Tela (St. Petersburg) 40, 1639–1641 (September 1998)     

Ti3Al合金短程序和中程序的分子动力学模拟

本文利用分子动力学模拟方法, 研究了非晶态Ti3Al合金在300 K时的短程序和中程序。利用对相关函数分布函数、配位数和Voronoi多面体方法研究了微观局域结构短程序和中程序。 研究发现：在Ti3Al合金非晶体中,短、中程序具有二十面体或缺陷二十面体的壳层结构。     

纳米结构Cu固体材料的低温热容性能研究

采用真空热压技术在高真空和温度为523K的情况下,通过不同压力将直径平均大约为45nm的Cu纳米粉末压制成纳米结构Cu固体材料,将X射线衍射、扫描电镜与物性测试仪(PPMS)相结合,研究了低温下纳米结构Cu固体材料的比热容随温度和材料密度的变化.研究结果表明:低温比热容随着纳米结构Cu固体材料密度的降低而升高;纳米结构Cu固体材料的低温比热容大于粗晶Cu,其增加率在10K左右达到极大.基于缺陷的热振动效应,探讨了这些现象的物理机理.     

Grain-size-dependent thermal conductivity of nanocrystalline materials

In order to study the influence of grain size and lattice strain on the thermal conductivity of nanocrystalline (NC) materials, both experimental and theoretical studies were carried out on NC copper. The NC copper samples were prepared by hot isostatic pressing of nano-sized powder particles with mean grain size of 30 nm. The thermal behaviors of the samples were measured to be 175.63–233.37 W (m K)^?1 by using a laser method at 300 K, which is 45.6 and 60.6 % of the coarse-grained copper, respectively. The average grain size lies in the range of 56–187 nm, and the lattice strain is in the range of ?0.21 to ?0.45 % (in the direction of 111) and ?0.09 to 0.92 % (in the direction of 200). In addition, a modified Kapitza resistance model was developed to study the thermal transport in NC copper. The theoretical calculations based on the presented theoretical model were in good agreement with our experimental results, and it demonstrated that the thermal conductivity of NC materials show obvious size effect. It is also evident that the decrease in the thermal conductivity of NC material can be mainly attributed to the nano-size effect rather than the lattice strain effect.