纳米金刚石薄膜结构相变及摩擦性能的研究

论文用第一性原理分子动力学模拟研究了纳米金刚石薄膜的结构相变和表面重构,以及金刚石薄膜(110)表面不同方向上表面形态和抛光残余的本质.研究发现,纳米金刚石的表面碳团簇通过断开(111)面的σ键,形成具有碳六元环结构的石墨碎片;内部原子sp3杂化向sp2杂化转化的发生是从(111)面上成对C原子向石墨相转化时形成π键的过程中获得了能量,驱动石墨的转变由表层向心部逐渐进行.转变过程中存在一种洋葱状富勒烯和金刚石结构共存的过渡相—Bucky-diamond,表面悬空键的消除和表层的富勒烯外壳最大限度地降低了表面能和系统总能量,Bucky-Diamond结构稳定存在.sp2杂化碳的缓冲作用对薄膜中残余应力有较大的影响.     

石墨烯及其复合材料纳米力学研究进展

石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体,是目前已知最薄但却有着极高强度的纳米材料。由于在强度、导热性、电子输运和光学上显示出不同寻常的特性,石墨烯迅速成为材料科学、物理、化学和力学等学科的研究热点。与此同时,石墨烯复合材料的研究也迅速兴起。本文综述了近年来石墨烯及其复合材料的力学特性的研究进展。根据力学行为的差异,我们主要阐述了石墨烯面内力学特性、离面力学特性、原子尺度修饰和石墨烯复合材料力学特性的研究进展：石墨烯的面内拉伸力学特性通过纳米压痕等技术得到了测量,其断裂行为在微纳尺度下不能完全使用连续介质力学模型进行解释,在多层石墨烯情况下会出现超润滑现象;石墨烯的可控离面位移对于改变其物理特性有重要的意义,石墨烯上的屈曲受到手性和尺度的影响,在高频器件中存在着非连续性的离面响应;适当的原子尺度修饰可以改善石墨烯的拉伸和扭转力学特性;石墨烯可以改善复合材料的力学特性,如提高强度、韧性等,其主要强化效应是通过与基体材料的离面、面内力学行为结合产生的。最后,本文对石墨烯及其复合材料的力学研究进行了总结和展望。     

纳米铜丝尺寸效应的分子动力学模拟

采用EAM原子势函数对不同截面尺寸纳米铜丝拉伸性能进行了零温分子动力学模拟。研究表明截面变化对纳米丝拉伸性能有明显影响。由于表明原子弛豫，纳米丝存在表面张应力以及与之相平衡的内部应力。这种本征应力的存在是纳米丝尺寸效应的根源。纳米丝截面减小，则拉伸强度提高、屈服推迟、初始拉伸模量的软化程度增加。     

石墨烯力学性能研究进展

石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体, 是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料. 由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景, 石墨烯被认为是具有战略意义的新材料, 近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿. 本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法, 重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展, 主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性, 石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测, 石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用, 最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望.      

掺氮类金刚石薄膜的纳米力学及纳米摩擦特性研究

利用微波电子回旋共振化学气相沉积技术制备了不同氮掺杂量的类金刚石(DLC)薄膜,采用俄歇电子能谱仪、Raman光谱仪和Hysitron型纳米力学测试系统对掺氮类金刚石薄膜的化学成分和结构、纳米力学及其纳米摩擦特性进行研究.结果表明:反应气体中氮气流量比例越大,类金刚石薄膜中的氮含量越高;随着薄膜中氮含量增加,掺氮类金刚石薄膜中sp3比例下降,sp2比例明显增加,而薄膜的纳米力学性能如纳米硬度和弹性模量明显下降;纳米划擦试验中的划痕深度与薄膜中氮含量有关,当载荷相同时,氮含量越高,所对应的划痕深度越深;名义摩擦系数(LF/NF)随着载荷增加而增大;当载荷相同时,摩擦系数与沉积膜中的氮含量无关.     

用于C-C共价键力能关系表征的等效C-C键合单元

基于Born-Oppenheimer近似的二次函数形式的势能关系,研究了C-C键沿键轴伸缩、在σ平面和π平面内旋转的力学表征.在原子的平衡位置附近和线弹性的范围内,得到了基于原子核位移表达的平衡关系.在定义一个C-C共价键上两个原子的6个位移自由度的基础上,构建了完整的等效C-C键合单元.当对构成晶形碳的C-C共价键的六环结构进行建模时,等效C-C键合单元方法能够反映出共价键中的键长、键角和键能这三大特征.通过对石墨片和C60分子振动的计算分析和实验比较,得到等效C-C键单元中的力常数,并讨论了力常数的变化状况.该文还对单壁碳纳米管的拉伸弹性模量进行了计算分析,取得较好的效果.等效C-C键合单元可以为碳材料的大规模分子力学计算提供一种实用方法.     

用于C60纳米分子振动分析的碳-碳键合单元及坐标变换

C60是一种纳米分子,具有许多非常重要的物理化学性质,采用Raman光谱可以测得它的分子振动特征,正是这种振动特征可以明显地表征出它的分子结构和原子键合关系。本文基于分子力学的基本分析原理,给出一种用于描述碳-碳共价键在小位移情形下力能关系的计算单元,称为碳-碳键合单元,重点讨论该单元在实际建模过程中的坐标变换问题,将所建立的碳-碳键合单元用于C60纳米分子的振动分析,分别给出了C60纳米分子的Ag(1)、Ag(2)、Hg(1)三个特征振型和频率,并与群论的分析结果、Raman光谱实验结果进行比较,证明了所提出分析方法的正确性和实用性。     

金属丝网橡胶压缩力学性能研究

对金属丝网橡胶进行了静态压缩试验。利用控制变量法研究了压缩量、相对密度、金属丝丝径、丝材和承压面积对金属丝网橡胶压缩力学性能的影响,并对平均刚度和能量耗散系数随压缩量和相对密度的变化关系进行了研究。试验结果表明:随着压缩量的增加,金属丝网橡胶非线性力学特性逐渐增强;相对密度越大,金属丝网橡胶承压能力越强;金属丝的丝径和丝材主要影响金属丝网橡胶非线性阶段的力学特性,丝径越大,丝材越硬,承压能力越强;承压面积越大,金属丝网橡胶的承压和耗能性能越好;随着压缩量的增加,平均刚度增大,承压能力增强,能量耗散系数减小,减震性能降低;随着相对密度的增加,平均刚度和能量耗散系数均增大,承压能力和减震性能均增强。     

分子动力学模拟纳米镍单晶的表面效应

对单晶镍纳米丝、纳米薄膜零温准静态拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟．模拟表明表面效应对单晶纳米材料的原子运动及整体力学行为有显著影响．自由表面增加纳米材料的塑性、降低其强度,影响纳米材料的变形机制．受表面效应的作用,纳米镍丝强度与弹性模量均低于纳米镍薄膜．纳米薄膜的断裂接近脆性断裂,断裂强度符合Griffith理想晶体脆断理论;纳米镍丝在断裂过程中表现出微弱塑性．     

碳包覆镍/钴纳米颗粒的爆轰合成法

用掺杂一定比例的硝酸镍盐/硝酸钴盐、尿素、无水乙醇与猛炸药泰安制成水溶性炸药,在密闭容 器氮气保护下,爆轰合成碳包覆镍/钴纳米晶颗粒。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和Raman光谱 仪等对爆轰产物的形态结构和组成成分进行测试。实验结果表明,爆轰产物以金属纳米晶为核,周围包覆多 种形态的碳物质且形成包覆结构特征比较完整的碳包覆镍/钴纳米颗粒,包覆层主要由无定形碳、石墨和微量 的富勒烯构成。     

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料,以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构。深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义。基于以上考虑,本文采用分子动力学（MD）模拟,研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况,探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况。通过对MD模拟结果的深入分析,得到了以下主要结论：a.辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构,引起渗碳体的分解,并促进碳原子向铁素体的扩散;b.在单轴拉伸荷载作用下,级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为间隙原子团簇附近位错环的形核与长大;c.在单轴压缩荷载作用下,级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动;d)无论在单轴拉伸还是压缩情况下,级联碰撞（及辐照效应）都会导致位错初始形核应力的提升。本文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观解释,对于辐照条件下铁素体合金钢材料的优化设计有一定的参考意义。     

级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响

铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料，以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构。深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义。基于以上考虑，本文采用分子动力学（MD）模拟，研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况，探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况。通过对MD模拟结果的深入分析，得到了以下主要结论：a.辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构，引起渗碳体的分解，并促进碳原子向铁素体的扩散；b.在单轴拉伸荷载作用下，级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为间隙原子团簇附近位错环的形核与长大；c.在单轴压缩荷载作用下，级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动；d)无论在单轴拉伸还是压缩情况下，级联碰撞（及辐照效应）都会导致位错初始形核应力的提升。本文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观解释，对于辐照条件下铁素体合金钢材料的优化设计有一定的参考意义。     

具有不同拉压性能材料的连续体结构拓扑优化

采用浮动的拉伸与压缩生长参考区间法讨论材料的拉伸与压缩性能差别对最优拓扑的影响.材料的拉伸与压缩性能差别包含两个方面,其一,基础材料的拉伸杨氏模量与压缩杨氏模量存在差异;其二,基础材料在拉伸变形与在压缩变形下生长的参考应变区间不同. 两者对结构最优拓扑的影响具有等效性. 数值算例证明了这一等效性. 数值算例进一步表明,对于一个给定的设计域,基础材料的拉伸与压缩性能差异对结构最优拓扑影响很大. 因此,考虑结构及材料具有不同拉压性能时的拓扑优化工作具有明显的工程意义.      

低速冲击后含损复合材料夹层板剩余强度研究进展

综述了受低速冲击后复合材料夹层板的损伤性态研究进展,重点介绍了倍受复合材料工程结构设计师所关注的受损复合材料夹层板的剩余拉/压强度.主要内容为:(1) 复合材料夹层板损伤特征;(2)剩余拉伸强度;(3)剩余压缩强度;(4)相关问题的讨论与研究展望.      

初始应力对碳纳米管横波传播的影响

本文研究初始应力对碳纳米管在极高频率（大于1THz）下横波传播的影响。计算结果表明：轴向初始应力的存在除了改变碳纳米管的横向波速和管间振幅比的大小（压应力时横向波速降低，管间振幅比增加，拉应力时结论相反）外，还会影响其横向波速的数目。双层碳纳米管受轴向初始压应力时，在某个频率区域存在最多三个横向波速，与受轴向初始拉应力和未受轴向应力时最多只存在两个横向波速有所不同。     

N330炭黑增强天然橡胶材料力学性能的实验研究

为了研究炭黑对橡胶材料力学性能的影响,对9种不同体积含量的炭黑填充橡胶材料进行了准静态力学实验研究。利用循环拉伸加卸载实验分析了炭黑对橡胶Mullins效应及能量损耗的影响,通过单轴拉伸实验研究了炭黑对橡胶材料刚度和起始模量的影响,采用多步松弛拉伸加卸载实验研究了炭黑对橡胶材料应力行为的应变历史相关性的影响。实验结果表明:炭黑填充量越高,橡胶材料的刚度越大,初始模量越大,Mullins效应也越明显;随着炭黑填充量的增加,橡胶在加卸载循环中所产生的迟滞损耗、Mullins效应相对能量损耗以及残余应变都呈现出非线性增长趋势;随着炭黑填充量的升高,橡胶在加卸载过程中的应力松弛现象越明显,其平衡态迟滞损耗以及与时间相关部分的迟滞损耗也越大。     

扭转塑性变形对6063铝合金拉伸力学性能的影响机理研究

扭转是一种常用的冷作硬化方法。本文通过实心圆轴扭转实验和预扭试件的单向拉伸实验,研究了扭转塑性变形程度对6063铝合金拉伸力学性能的影响。通过理论研究和硬度分析探究了造成这一影响的内在机理。结果表明,试件扭转后其内部形成的以屈服强度为特征参数的梯度结构,是造成预扭试件力学性能得到改善的根本原因。并且,扭转不同的角度,材料内部产生的梯度结构也是不同的。而不同的梯度结构对试件力学性能的影响则表现为后继拉伸屈服强度随预扭角度的增大而增大。为了预测预扭试件的后继拉伸力学行为,验证前述结论的正确性,建立了由内到外屈服强度逐渐变化的有限元模型。此模型代表了预扭转变形试件,对其施加位移载荷,模拟后继单向拉伸加载过程。模拟所得材料力学性能随扭转角的变化趋势与实验结果基本吻合,从而验证了扭转冷作硬化后,圆轴试件内部产生了以屈服强度为特征参数的梯度结构这一结论。同时,也提供了一种有效的预测材料扭转后拉伸力学性能的数值模拟方法。     

多层氧化石墨烯的三维弹性常数及氧化度对力学性能的影响

宏观氧化石墨烯膜由多层石墨烯组成,其法向拉伸和层间剪切性能远比面内性能低。本文视多层氧化石墨烯为一种特殊的三维正交各向异性材料——横观各向同性材料,通过建立羟基和环氧基在石墨烯表面随机分布的多层氧化石墨烯三维模型,采用分子动力学方法模拟多层氧化石墨烯的面内拉伸、法向拉伸和层间剪切行为,分别得到了多层氧化石墨烯材料的全部五个独立弹性常数E2、E3、μ12、μ32和G23,进而确定了三维弹性矩阵（柔度矩阵和刚度矩阵）,并进一步分析了氧化度对弹性常数和强度的影响规律。结果表明：随着氧化度R逐步增大,多层氧化石墨烯面内杨氏模量E2和拉伸强度σ2max逐步降低,法向杨氏模量E3和拉伸强度σ3max、层间剪切模量G23和剪切强度τ23max均逐步增大,而对泊松比的影响较小;拉伸和剪切断裂破坏位置由氧化基团(羟基和羧基)与碳原子结合键能大小所决定。     

钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响

通过实验研究了活性粉末混凝土的基本力学性能(抗压强度、劈拉强度和抗折强度),分析了钢纤维掺量对活性粉末混凝土力学性能的影响,拟合得到了抗折强度与劈拉强度之间的关系表达式。在实验分析的基础上,建立了不同钢纤维体积含量活性粉末混凝土受压应力-应变全曲线的数学表达式。研究结果表明：钢纤维体积含量在1.0%～3.5% 之间时,活性粉末混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗折强度均随着钢纤维掺量的增加而增大;当钢纤维体积含量超过3.5% 后,活性粉末混凝土抗压强度下降,劈拉强度略有提高,而抗折强度仍有明显的提高。     

Use of excited atoms to study the ar component in a molecular beam obtained from an Ar-He mixture

The Ar component in a molecular beam obtained in the discharge of a binary mixture of Ar and He from a nozzle source is investigated with a time-of-flight method. The excited Ar atoms formed by electron impact are recorded. It is shown that for an appropriate choice of recording-system parameters the contribution to the total signal from the mixture comes mainly from the Ar* atoms. The method described is used to study the dependence of the intensity, velocity, and enrichment factor of Ar on the Ar concentration in the starting mixture.