氮化硼、碳化硅、锗纳米管的熔化与拉伸力学特性

该论文采用Tersoff势的分子动力学方法分析了单壁(5,5)氮化硼、碳化硅、锗纳米管的熔化与轴向拉伸力学特性,讨论了三种纳米管熔化与轴向拉伸力学性能的差异。 研究表明：氮化硼管熔化后呈现为网状,碳化硅管为疏松的不规则的团状, 锗管呈现为紧密排布的近似球状;相同温度下,碳化硅及氮化硼纳米管的熔点、比热容以及熔化热却均远高于锗管,但系统能量却远低于锗管;三种纳米管中,氮化硼管的抗变形抗能力最大,锗管的抗变形与抗载荷能力最小,而氮化硼、碳化硅管的抗载荷能力相当。     

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.     

单晶ZnO、TiO2纳米线拉伸力学特性的分子动力学研究

采用分子动力学方法,模拟了不同加载速度、不同温度下单晶ZnO、TiO_2纳米线的拉伸破坏过程.通过模拟结果,对比、分析了两种单晶金属氧化物纳米线拉伸力学特性的差异.研究表明,1)ZnO纳米线的断裂机制为:表面微裂纹-微孔-微裂纹与微孔贯穿-断裂,而TiO_2纳米线的断裂机制为:局部屈服-颈缩-断裂;2)TiO_2纳米线的承载能力优于ZnO纳米线,而承受变形的能力劣于ZnO纳米线;3)温度较低的情况下,纳米线的抗拉性能较好;加载速度越高,纳米线的抗载性能越好,而抗变形能力越差.     

单壁氮化硼纳米管压缩特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,分别模拟完好的和含有缺陷的(7,7)扶手椅型氮化硼纳米管的轴向压缩过程.原子间的相互作用采用Tersoff多体势函数来描述.为验证结果的可靠性,同时针对(7,7)扶手椅型碳纳米管进行对比计算.结果表明,氮化硼纳米管的压缩失效模式同碳纳米管相同,均表现为管壁的局部屈曲.发现纳米管的压缩强度,如临界轴向内力在低温下受温度影响明显,并且和应变率的大小有关.然而,应变率对纳米管的弹性变形没有影响.另外,还发现空位缺陷降低了纳米管的力学性能.与完好的纳米管相比,含有缺陷的纳米管轴向压缩强度对于温度的影响并不敏感.     

碳纳米管和碳化硅纳米管热导率的分子动力学研究

采用Tersoff势测试和研究了反向非平衡分子动力学中的Müller-Plathe法和Jund法在一维纳米管热传导中的应用.在相同的模拟步数中,Müller-Plathe法可以得到很好的结果,热导率在交换频率大于50时对参数的选择并不敏感.然而,Jund法并不能得到良好的线性温度梯度,其热导率在一定程度上依赖于选择的热流大小.在此基础上,运用Müller-Plathe法进一步研究了碳纳米管和碳化硅纳米管的长度、直径和温度对热导率的影响.结果表明,无论是碳纳米管还是碳化硅纳米管,其长度、直径和温度对热导率的影响是一致的.只要长度增加,纳米管的热导率相应增大,但增长速率不断降低.直径对热导率的影响很大程度上还取决于温度,在高温时,直径对热导率几乎没有影响.除此之外,纳米管的热导率随着温度的增加总体上也是不断降低的,但峰值现象的出现还受纳米管长度的影响.     

温度、应变率和空位缺陷对氮化硼纳米管压缩性能的影响

采用分子动力学方法,分别模拟了完好的和含有缺陷的氮化硼纳米管的轴向压缩过程。原子间的相互作用采用Tersoff多体势函数来描述。结果表明,同尺寸的锯齿型氮化硼纳米管的临界轴向压缩强度高于扶手型氮化硼纳米管,这与碳纳米管的研究结果一致。发现纳米管的压缩强度,如临界轴向内力在低温下受温度影响明显,并且和应变率的大小有关。然而,应变率对纳米管的弹性变形没有影响。另外,还发现空位缺陷降低了纳米管的力学性能。与完好的纳米管相比,含有缺陷的纳米管轴向压缩强度对于温度的影响并不敏感。     

高压下MgO熔化特性的分子动力学模拟

利用分子动力学方法,模拟研究了高压下MgO的熔化特性．通过晶体的现代熔化理论,对MgO的分子动力学模拟熔化温度进行了修正,得到了高温高压下MgO的熔化温度．计算得到的MgO熔化曲线和已有的实验及其它理论结果在0-135 GPa进行了比较,发现修正得到的MgO熔化温度和由Lindemann熔化方程及两相方法得到的结果在压力低于15 GPa时符合很好．同时,MgO熔化模拟有效解释了一阶相变分子动力学过程中出现的过热熔化现象．     

单壁氮化硼纳米管的结构、对称性和晶格动力学

本文分析了氮化硼纳米管的结构对称性,并对其晶格振动模的对称性进行了分类。计算了单壁氮化硼纳米管的声子色散关系,给出了扶手椅管和锯齿管拉曼和红外活性模的频率随管径的变化规律。     

金纳米管力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法, 研究了金纳米管沿不同晶向拉伸与压缩载荷下的力学性能, 并分析了金纳米管的半径对其力学行为的影响. 在模拟计算中, 采用镶嵌原子势描述金原子之间的相互作用. 模拟结果表明, 在拉伸及压缩过程中, 不同晶向的金纳米管力学性能相差较大, 在拉伸和压缩载荷下金纳米管<110>向的屈服强度最大; 在三个晶向<100>, <110>, <111>的金纳米管中, <100>晶向的金纳米管其屈服强度和杨氏模量都远远小于其他晶向. 研究结果还发现, 当纳米管的半径小于3.0 nm时, 金纳米管的屈服强度没有大的变化, 而当半径大于3.0 nm后, 随着半径的增大, 其屈服强度明显降低.关键词：分子动力学模拟金纳米管力学性能     

硅熔化特性的分子动力学模拟–-不同势函数的对比研究

分别采用Stillinger-Weber (SW)势、修正的成熟原子嵌入模型(MEAM)势、 Tersoff势和HOEP (highly optimized empirical potential)势来描述硅原子间相互作用, 运用分子动力学方法对比模拟研究了四种势函数的硅晶体的体熔化和表面熔化特性. 结果表明: 四种势函数均能反映出硅的热膨胀、高温熔化和熔化时吸热收缩等基本物理规律. 但综合对比发现, Tersoff势和MEAM势相对更适合描述硅的熔化和凝固过程, SW势次之, HOEP势则不适合描述硅的熔化和凝固过程.关键词：硅势函数熔化分子动力学     

Molecular dynamics studies on the thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes

We have studied the thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) using the NEMD method. The results indicate that the thermal conductivity values are not profoundly influenced by the specific simulation-technique used in the MD simulations. Some possible reasons, which could be responsible for the discrepancy on thermal conductivity values of SWCNTs in the literatures, are discussed.      

碳纳米管热传导的分子动力学模拟研究

采用改进的经验键序作用势描述碳原子间的相互作用,应用分子动力学方法和Green-Kubo函数计算了碳纳米管的热导率.在模拟中,使用了重叠计算的方法来计算热流相关函数,大大减少了模拟步数.计算结果表明,碳纳米管的热导率以原子间作用力相互做功所引起的热流形式为主;热导率的值随着直径的增加而减小;在室温下,热导率的值随着温度的增加而增加,达到室温后逐渐收敛于定值.计算的单壁碳纳米管热导率在1000W/mK至4000W/mK之间,计算结果与实验结果基本符合.关键词：分子动力学碳纳米管热导率     

Influence of chirality on the thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes

The influence of chirality on the thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes(SWNTs) is discussed in this paper, using a non-equilibrium molecular dynamics(NEMD) method. The tube lengths of the SWNTs studied here are 20, 50, and 100 nm, respectively, and at each length the relationship between chiral angle and thermal conductivity of a SWNT is revealed. We find that if the tube length is relatively short, the influence of chirality on the thermal conductivity of a SWNT is more obvious and that a SWNT with a larger chiral angle has a greater thermal conductivity. Moreover, the thermal conductivity of a zigzag SWNT is smaller than that of an armchair one. As the tube length becomes longer, the thermal conductivity increases while the influence of chirality on the thermal conductivity decreases.     

功能化单壁碳纳米管的热导率

采用基于BrennerⅡ势的非平衡态分子动力学方法,模拟研究了300K温度下经氢化学修饰的(10,0)单壁碳纳米管的热导率.研究显示功能化后碳管的热导率有明显减小,当有一列碳原子被氢化后（功能化程度为5%）,碳管的热导率减小了大约1/3,为了进一步解释这种功能化对碳纳米管热导率的影响,计算了不同功能化程度下碳纳米管的声子谱.     

功能化单壁碳纳米管的热导率

采用基于BrennerⅡ势的非平衡态分子动力学方法,模拟研究了300K温度下经氢化学修饰的(10,0)单壁碳纳米管的热导率.研究显示功能化后碳管的热导率有明显减小,当有一列碳原子被氢化后（功能化程度为5%）,碳管的热导率减小了大约1/3,为了进一步解释这种功能化对碳纳米管热导率的影响,计算了不同功能化程度下碳纳米管的声子谱.     

分子动力学模拟铜薄膜的热导率

采用分子动力学(MD)方法模拟铜薄膜的热导率,给出了厚度在100~400nm、温度在100~600K范围内铜薄膜热导率对尺寸及温度的依赖关系.     

硅晶体热传导性能的分子动力学模拟

基于硅色散关系的实验值,给出硅晶体导热系数的经典分子动力学模拟所必需的温度、导热系数的量子化修正曲线。应用平衡态分子动力学算法模拟了硅晶体在 300～700 K温度区间内的导热系数,模拟结果表明,理想硅晶体的导热系数比自然硅高60％～75％,但随着温度的下降,模拟结果的准确性下降。     

The vibrational contribution to the thermal conductivity of a polyatomic fluid

A simple analytical expression is proposed in this article to calculate the vibrational contribution to the thermal conductivity of a polyatomic fluid. The analytic expression was obtained based on the assumption that the self-diffusion process is the major mechanism in the transport of vibrational energy. The proposed expression is validated by comparing the thermal conductivity of CO₂ calculated by molecular dynamics (MD) simulations to experimental data over a wide range of temperature and pressure. It is also demonstrated that the proposed analytic expression greatly increases the accuracy of calculated thermal conductivity for CO₂ at the supercritical state.