表面形貌对单晶CoCrFeMnNi高熵合金刮擦行为影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟来研究纳米刮擦载荷作用下单晶CoCrFeMnNi高熵合金的刮擦变形行为和晶体结构演变，讨论了平面、矩形和三角形表面形貌以及不同刮头半径对单晶CoCrFeMnNi高熵合金表面刮擦响应的影响.结果表明：单晶CoCrFeMnNi高熵合金在刮擦过程中的主要塑性变形机理是Shockley不全位错的滑移变形.对于平面、矩形和三角形表面形貌的CoCrFeMnNi高熵合金，平面类型形貌试样具有最大的摩擦系数.在1.2 nm的刮擦深度下，表面的非平面形貌通过位错湮灭的方式降低刮擦区域的塑性变形，减小刮擦区域的摩擦系数从而产生减摩效应.     

纳米尺度下切削过程的准连续介质力学模拟

采用准连续介质力学方法模拟了镍单晶体刀具在单晶铜工件上的切削过程,深入分析了切削过程中的能量演化?应力场变化和原子位移情况等因素.结合切削过程中位错滑移等塑性行为和原子径向分布理论,揭示了切屑产生的机理,证实了切削过程中已加工表面和体相晶体结构的非晶态变化是切屑产生的主要原因.通过对纳米切削过程不同阶段的模拟表明:刀具的耕犁作用下剪切带的形成和扩展是切屑形成的初始阶段;变质层的产生是纳米切削的中间阶段并构成了加工表面组织;储存在变形晶格中的变形能超过一定值时,晶格被打破,形成非晶态结构是切屑形成的最终阶段.     

铜镍合金滑动摩擦学行为的分子动力学模拟

基于分子动力学模拟建立金刚石结构粗糙磨粒球与Ni60/10%Cu (C1)和Ni60/20%Cu (C2)铜镍合金滑动摩擦结构模型,通过探究铜镍合金在金刚石磨粒不同摩擦深度下滑动摩擦行为,结合合金的磨损形貌、磨损原子数目及分布、摩擦力和亚表面损伤对合金纳米尺度下磨损机理进行了研究.结果表明：在摩擦过程中,合金磨损原子首先堆积在磨粒前方,随着滑动摩擦的进行,当压入深度为10?时,磨损原子与磨粒之间黏附力较小,磨损原子流向磨痕两侧,当压入深度为20?时,磨损原子数量增加,增加的磨损原子主要堆积在磨粒前方,共同对合金进行磨损.随压入深度的增加,合金在摩擦过程中的位错密度上升,合金亚表面损伤程度提高,但在相同压入深度下,C2合金平均位错密度大于C1合金,C1合金的亚表面质量优于C2合金,这表明摩擦深度是影响合金亚表面质量的重要因素,且Cu原子数目增加会提高合金在纳米尺度下摩擦过程中亚表面损伤.     

纳米力学进展

概述在固态下纳米力学的若干研究内容.首先对纳米力学及其范畴 进行界定，然后介绍纳米力学方法，包括属于纳观计算力学范畴的大规 模分子动力学算法、连续介质/分子动力学交叠层算法、准连续介质算法 和LMPM方法；及属于纳观实验力学范畴的纳米云纹法和纳米压痕法.随即 阐述纳米力学的新兴研究领域：包括纳米晶体的超塑性变形、纳观断裂 力学、纳米管力学和纳米压痕力学.     

分子动力学模拟金属纳米杆受压稳定性

纳米结构(包括纳米杆)的力学性能是纳米超微型器件设计的基础，分子动力学是研究纳米结构力学行为的有效方法. 采用EAM势模拟金属铜纳米杆在轴向压力作用下的力学行为，结果表明，当外力较小时，纳米杆受压发生纵向收缩；当外力达到某一临界值时，纳米杆发生横向弯曲(即屈曲)行为；稳定的弯曲状态能继续承受外载；当外力继续增大时，纳米杆发生倾覆而失效.     

纳米金属丝拉伸破坏及其应变率效应

建立了适于研究纳米金属快速变形破坏过程的分子动力学模型,并对不同应变率工况下不同截面尺寸单晶镍纳米丝的零温单向拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟.模拟得到各种纳米镍丝的应力-应变曲线、屈服应变、屈服强度、断裂强度和初始弹性模量,提出了纳米金属丝快速变形力学性能的应变率效应预测公式并加以验证.计算表明金属纳米丝的屈服应变与尺寸和应变率无关,屈服强度、断裂强度和弹性模量与应变率呈对数关系.     

c-GaN材料摩擦响应与磨损特性的分子动力学模拟研究

对c面(0001)GaN(即c-Ga N)材料纳米划痕响应开展了分子动力学模拟研究,以考察压入深度(即划痕深度)和划痕加载方向对其力学响应、表面磨损和内部位错形核等行为的影响,并澄清其摩擦性能参数与磨损特性。通过对c-GaN材料进行不同压入深度下连续改变加载方向的划痕模拟,结果发现:c-GaN材料的摩擦系数及磨损率取决于加载方向和加载方式,采用划痕方向连续改变的加载方式难以获得c-GaN材料各个晶向上准确的摩擦系数及磨损率。     

纳米晶铜单向拉伸变形的分子动力学模拟

纳米材料是由尺度在1－100nm的微小颗粒组成的体系，由于它具有独特的性能而备受关注。本文简要地回顾了分子动力学在纳米材料研究中的应用，并运用它模拟了平均晶粒尺寸从1．79－5．38nm的纳米晶体的力学性质。模拟结果显示：随着晶粒尺寸的减小，系统与晶粒内部的原子平均能量升高，而晶界上则有所下降；纳米晶体的弹性模量要小于普通多晶体，并随着晶粒尺寸的减小而减小；纳米晶铜的强度随着晶粒的减小而减小，显示了反常的Hall-Petch效应；纳米晶体的塑性变形主要是通过晶界滑移与运动，以及晶粒的转动来实现的；位错运动起着次要的、有限的作用；在较大的应变下（约大于5％），位错运动开始起作用；这种作用随着晶粒尺寸的增加而愈加明显。     

粘接层对聚甲基丙烯酸甲酯涂层刮擦破坏的影响及机理分析

为研究粘接层厚度和粘接强度对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂层刮擦破坏的影响,对不同粘接层厚度和粘接强度的PMMA涂层开展了系统的刮擦实验.采用考虑剪切屈服和脆性断裂竞争行为的本构模型描述PMMA的力学行为,进行了PMMA涂层刮擦行为的有限元模拟,揭示了复杂刮擦破坏模式的物理机理.研究结果表明：与零厚度粘接层的涂层相比,有限厚度粘接层的变形使PMMA涂层在刮擦过程中出现局部弯曲,导致刮头下方涂层底部区域形成内部裂纹;具有强粘接强度的粘接层可限制涂层在刮擦过程中的变形,避免刮头前方可能产生的严重屈曲,进而防止涂层底部形成沿厚度方向贯穿涂层的纵向裂纹;增加涂层厚度可以提高涂层在刮擦过程中的抗弯曲和抗屈曲能力,延缓内部裂纹和纵向裂纹的形成.这些发现有助了解和改善PMMA涂层的刮擦性能.     

纳米丝应变率效应的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟了零温时不同应变率作用下纳米丝的拉伸力学行为．计算结果表明在缺乏热激活软化机制条件下，纳米丝应变率效应呈现出与宏观应变率试验结果相一致的特征．纳米丝在不同的应变率范围具有不同的变形机制．在应变率不敏感区和敏感区，纳米丝主要以位错运动作为塑性变形机制；在应变率突变区，纳米丝通过局部原子混乱区的持续扩展乃至整体结构的非晶化作为塑性变形机制．     

基于粗粒化水分子模型的Cu-H_2O纳米流体黏度模拟

分子动力学模拟是研究纳米流体的黏度特性的重要手段,但计算量庞大.文章通过对基液水分子粗粒化,使得计算量大幅度减小,且计算精度与全原子模拟相当.基于平衡态分子动力学,模拟研究了Cu-H2O纳米体系的微观运动特性,通过格林-库博(Green--Kubo)公式对Cu-H2O纳米流体的黏度进行了模拟计算,并考察了温度、体积分数、粒径和颗粒形状对于Cu-H2O纳米流体黏度的影响,对已有的悬浮液黏度经验公式进行了修正.     

水化硅酸钙纳米压痕分子动力学模拟方法优化

针对水化硅酸钙纳米压痕模型忽视了压头与基底之间相互作用的问题，由尺寸差异引起的金刚石压头难以计算的问题，以及Wittmann模型无法得到实际接触面积的问题，提出了新的模型与计算方法．结合分子动力学方法，采用金刚石压头-Wittmann模型基底的组合方式构建无定形态水化硅酸钙纳米压痕试验模型．在建模阶段，考虑到压头模型与基底模型粒子间尺寸差异，提出了等比例替换模型，通过公式推导并就不同尺寸模拟结果验证了等比例替换模型的可行性．在计算阶段，提出了局部前处理的弛豫方法进行模拟．确定最大荷载位置处的接触面积为546 nm2，进而求出水化硅酸钙模型硬度H为0.84 GPa、折合模量Er为30.52 GPa．并通过纳米压痕试验，验证了模拟结果的准确性，证明了模型的科学性，对今后水化硅酸钙(C-S-H)纳米层面的模拟具有重要借鉴意义．     

硅基底复合自组装膜的制备及其微摩擦磨损性能研究

采用共吸附法，在硅基底表面制备3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APS)和十二烷基三甲氧基硅烷(WD-10)复合自组装膜. 通过分子动力学模拟不同温度与混合分子在不同比例下的混合体系界面结合能；依据模拟结果，采用正交试验法设计试验方案制备9种不同条件下的自组装膜；采用原子力显微镜、接触角测定仪以及X射线光电子能谱仪对自组装膜的表面形貌、湿润性能和化学成分进行表征分析；利用微摩擦测试仪对自组装膜的微摩擦磨损性能进行性能测试. 结果表明:混合分子成功组装到羟基化硅基底表面，并且当组装温度为25 ℃，组装时间为4 h，组装溶液的pH为6时，自组装膜的质量较好；制备的复合自组装膜由于引起了边界润滑效应，有效减小了试件表面的摩擦磨损，且两种混合分子比例为1:1时自组装膜的减摩特性最佳.      

分子动力学模拟金属纳米杆

纳米结构（包括纳米杆）的力学性能是纳米超微型器件设计的基础，分子动力学是研究纳米结构力学为的有效方法，采用EAM势模拟金属铜纳米杆在轴向压力作用下的力学行为，结果表明，当外力较小时，纳米杆受压发生纵向收缩；当外力达到某一临界值时，纳米杆发生横向弯曲（即屈曲）行为；稳定的弯曲状态能继承受外载，当外力继续增大时，纳米杆发生倾覆而失效。     

油溶性纳米Cu在微动磨损条件下的自修复行为与机理研究

将质量分数为1%的油溶性纳米铜分散于SJ 15W/40汽油机油中并以SJ 15W/40汽油机油为参比油、采用SRV型微动摩擦磨损试验机考察了油溶性纳米铜添加剂的摩擦磨损自修复行为.用表面轮廓仪、显微硬度计、扫描电子显微镜以及X射线光电子能谱仪等对摩擦副磨损表面进行了分析.结果表明,在本试验条件下,与参比油相比,添加油溶性纳米铜的SJ 15W/40汽油机油的摩擦系数和磨损体积损失均有大幅降低,且在达到一定试验时间和载荷后出现磨损负增长,表现出了明显的磨损自修复效应.油溶性纳米Cu能够改善摩擦副的表面磨损状况,使其得到整平和修复,其机理主要为软金属纳米颗粒(纳米Cu颗粒)在摩擦过程中由于物理、化学和电化学等作用而沉积于摩擦表面,形成含有单质铜的自修复沉积膜,从而起到了磨损自修复作用.     

FCC金属塑性屈服的尺度效应和应变率响应

对纳米尺度单晶铜的剪切变形进行了分子动力学（MD）模拟．模拟结果表明，单晶铜的剪切屈服应力随模型几何尺度的增大而降低，而随着应变率的增大而升高．基于位错形核理论，建立了一个修正的指数法则来描述面心立方（FCC）金属的尺度效应，该法则与较大尺度范围内（从纳米到毫米以上）的数值模拟结果以及实验数据都符合得比较好．另外，MD模拟中发现单晶铜存在一个临界应变率，当施加的应变率小于该值，剪切屈服应力几乎不随应变率变化而变化；当大于该值，剪切屈服应力会随着应变率的增加迅速升高．最后根据模拟的结果建立了单晶铜和单晶镍塑性屈服强度的应变率响应模型．     

纳米晶钽在单向拉伸载荷下的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟了纳米晶钽在单轴拉伸载荷作用下的微观结构演化情况. 结果表明纳米晶钽在塑性变形过程中可以发生从BCC到FCC, HCP结构的应力诱导相变. FCC 结构原子百分比的最大值和试样的抗拉强度成线性关系，据此可推出一个相变发生的临界应 力值. 应变率越大，相变滞后于应力越严重. 当应变达到一定值时，试样会发生晶间断裂现 象，定量分析发现纳米晶钽晶间裂纹初始形成应变不受平均晶粒尺寸的影响，而与应变率和 模拟温度有着密切的关系.     

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。     

纳米CeO2颗粒的制备及其化学机械抛光性能研究

以硝酸铈和六亚甲基四胺为原料制备出不同粒径的纳米CeO2粉体颗粒,将纳米CeO2粉体配制成抛光液并用于砷化镓晶片的化学机械抛光.结果表明,不同尺寸的纳米磨料具有不同的抛光效果,采用粒度8 nm的CeO2磨料抛光后微观表面粗糙度最低(0.740 nm),采用粒度小于或大于8 nm的CeO2磨料抛光后其表面粗糙度值均较高.通过简化的固-固接触模型分析,认为当粒度过小时,磨料难以穿透软质层,表现为化学抛光为主,表面凹坑较多,表面粗糙度较高;当粒度大于一定值时,随着磨料粒度增加,嵌入基体部分的深度加大,使得粗糙度出现上升趋势.提出当磨料嵌入晶片表面的最大深度等于或接近于软质层厚度时,在理论上应具有最佳的抛光效果.     

单晶硅AFM加工过程的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对AFM针尖加工单晶硅进行了研究.工件内部硅原子间相互作用力采用Tersoff多体势计算,工件原子和金刚石针尖原子的相互作用力采用Morse对势计算.本文分析了在不同切削深度下系统势能和牛顿层温度变化情况,对切削力、切屑、侧向流原子跟切削深度的关系进行了系统研究,并在此基础上,对金刚石针尖在单晶硅上的切削机理进行了讨论.