微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

楔形体上复合液滴润湿铺展行为的格子Boltzmann方法研究

固壁上液滴的润湿铺展行为是自然界中普遍存在的现象,针对楔形体上的复合液滴,采用基于相场理论的格子Boltzmann方法对其润湿铺展行为进行探究.通过理论分析和数值模拟,发现液滴润湿面积随接触角、楔形体顶角的减小而增大,液滴也越容易分裂.处于理论分裂临界状态附近的液滴,在一定密度比、黏度比条件下将沿楔形体壁面分裂.基于模拟结果生成以密度比、黏度比为坐标的液滴分裂状态相图,比较发现相同条件下初始状态为平衡态的复合液滴更不易发生分裂.另外模拟还表明非对称界面张力及非对称运动黏度比也是影响液滴分裂结果的重要因素.     

固体表面液滴铺展与润湿接触线的移动分析

液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义.根据液滴在光滑表面上的受力情况,建立了液滴平壁铺展的动力学模型.应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程,建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程.根据建立的方程,应用数值解法求解并详细分析了液滴在铺展过程中膜厚、接触线铺展半径以及铺展速度随时间的变化关系.研究结果表明:液滴的铺展过程可分为扩展和收缩两个阶段,铺展过程伴随着表面能、动能以及各种势能的相互转化,液滴最终的铺展半径大小由固体基面固有的润湿特性所决定;液滴在铺展过程中出现的"坍塌效应"与弯曲液面处的Laplace压力差有关;铺展半径随时间变化的标定律近似满足"1/7"次方标度律.     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

液滴在润湿梯度表面运动的分子动力学模拟

本文进行了液滴在不同润湿梯度表面运动的分子动力学模拟,通过改变Lennard-Jones(LJ)势参数来实现表面的不同润湿性。模拟结果表明在润湿梯度差为10°的界面上,疏水表面的液滴运动更快,达到最终界面所需时间最短,并且液滴运动方向距离最远。当润湿梯度差为20°和30°时,液滴在疏水表面工况的运动速度与从疏水跨越到亲水的工况之间的差距越来越小,并且液滴在从疏水跨越到亲水的工况达到了最远的运动距离。同时,润湿梯度差的增加也引起了液滴运动速度的增大。     

异种金属界面液态钎料的润湿铺展

采用高速摄影及其数据分析处理系统,对低碳钢-不锈钢异种金属界面液态钎料润湿铺展的动态过程进行了分析研究。试验结果表明,采用台阶加热能保证形成可靠的异种金属钎焊接头,从而提高了钎焊质量。     

纳米结构及浸润性对液滴润湿行为的影响

液滴在纳米结构表面的润湿模式研究(Dewetting,Cassie,Partial Wenzel及Wenzel)对强化冷凝、表面自清洁、油水分离等具有重要意义,现有文献主要研究了液滴在微柱阵列纳米结构表面的润湿行为.本文采用分子动力学模拟,研究了纳米结构倾角及表面浸润性对氩液滴在铂固体壁面上润湿模式及其相互转换的影响,...     

液滴低速撞击润湿球面现象观测分析

采用高速摄像仪以10000 帧/s的拍摄速度对液滴低速撞击润湿球体表面过程进行了实验观测, 分析了液滴撞击后的反弹、局部反弹和铺展等现象, 考察了黏度对撞击过程的影响; 在此基础上, 定量讨论了液滴铺展特征参数随撞击速度、球体直径和黏度的变化规律. 观测发现: 黏度较大且撞击速度较低时, 撞击后可能出现反弹和局部反弹, 黏度较小时则不发生; 铺展面积随撞击速度的增大而增大; 黏度增大时, 铺展因子减小; 在球体直径为4–20 mm范围内, 随着球体直径的增加, 铺展因子呈上升趋势. 关键词： 液滴撞击 润湿球面 铺展 黏度     

金属钨中氦行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了氦在金属钨中的扩散聚集行为. 首先,建立了氦与钨原子间相互作用势,短程部分采用ZBL势形式,长程部分采用从头算法数据,实现了两者之间的平滑连接. 通过计算氦在钨中不同间隙位的形成能发现,单个氦原子更易存在于金属钨中的四面体间隙位,这与最新的研究成果是一致的. 在400-1200 K的温度范围内,考察了氦原子在金属钨中的扩散行为,获得了扩散迁移能,其值介于实验值和从头算法结果之间. 最后,研究了氦的聚集行为,从能量的角度考察了氦团簇形成初期的生长机理. 研究发现,在氦团簇形成初期,氦团簇对氦的结合能随着氦团簇的生长有逐渐增大的趋势,说明氦团簇吸收氦的能力逐渐增强. 关键词： 氦扩散 氦团簇 辐照损伤 分子动力学模拟     

Molecular dynamics simulation of stress and grain evolution

A three-dimensional molecular dynamics simulation is carried out to study the evolution of grains and stresses during the deposition of atoms on the (100) plane of a fcc regular crystal, using the cubic system with x–y periodic boundary conditions. At the bottom an atomic surface and at the top a reflecting wall are assumed. Atoms in the system interact via the Lennard–Jones potential. During simulation the films grow according to the Volmer–Weber mode and exhibit specific shape of the stress curves. When the film becomes continuous, the stress during the growth possesses a maximum value, but later new grain boundaries are formed. Individual atoms in the grain boundaries generate compressive stress in the films.     

分子动力学模拟Gd原子在Cu(110)表面的扩散过程

为了分析Gd吸附原子在Cu(110)表面的扩散机理，用分子动力学对该扩散过程进行模拟.模拟 结果表明在［1 1 0］方向Gd原子通过跳跃机理扩散，而且多步跳跃频率很高.而在［0 0 1］方向则通过交换机理扩散.吸附原子在［1 1 0］方向的扩散能力要比［0 0 1］ 方向强.通过对扩散频率的拟合，发现两种扩散机理都符合Arrhenius公式，从而确定了跳跃 机理的扩散势垒为0.097eV，交换机理的扩散势垒为0.33eV.另外还用能量弛豫的方法确定了 跳跃机理的扩散势垒. 关键词： 分子动力学 表面扩散 跳跃机理 交换机理 扩散势垒     

铜-铝扩散焊及拉伸的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了铜-铝扩散焊过程，分析了理想平面铜-铝试件(001)晶面间扩散焊的过渡层厚度，并利用径向分布、键对分析方法分析了在不同的降温速率下过渡层的结构变化.降温速率大时，过渡层保持原有无序结构，降温速率小时，过渡层从无序结构向面心立方结构转变.还对扩散焊后的铜-铝试件进行了拉伸模拟，并与尺寸大小相近的单晶铜和单晶铝的拉伸模拟结果进行比较.结果发现焊接后的强度比单晶铝和单晶铜的强度都要小，最大应变值也小.     

Molecular dynamics simulation of thermodynamic properties of YAG

In this paper we study the thermodynamic properties of Y分子动力学;热力学;扩散;热学YAG, diffusion, elastic constant, molecular dynamicsProject supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No~10744002).2/2/2007 12:00:00 AMIn this paper we study the thermodynamic properties of Y3Al5O12 （YAG） by using molecular dynamic method combined with two- and three-body potentials. The dependences of melting process, elastic constant and diffusion coefficient on temperature of crystal YAG are simulated and compared with the experimental results. Our results show that anion O has the biggest self-diffusivity and cation Y has the smallest self-diffusivity in a crystal YAG. The calculated diffusion activation energies of ions O, Al and Y are 282.55, 439.46, 469.71kJ/mol, respectively. Comparing with experimental creep activation energy of YAG confirms that cation Y can restrict the diffusional creep rate of crystal YAG.     

多晶银纳米线拉伸变形的分子动力学模拟研究

纳米尺度金属Ag以其独特的导电和导热性,广泛应用于微电子、光电子学、催化等领域,特别是在纳米微电极和纳米器件方面的应用.本文采用分子动力学方法模拟了不同晶粒尺寸下多晶银纳米线的拉伸变形行为,详细分析了晶粒尺寸对多晶银纳米线弹性模量、屈服强度、塑性变形机理的影响.发现当晶粒尺寸小于13.49 nm时,多晶Ag纳米线呈现软化现象,出现反Hall-Petch关系,此时的塑性变形机理主要以晶界滑移、晶粒转动为主,变形后期形成五重孪晶;当晶粒尺寸大于13.49 nm时,塑性变形以位错滑移为主,变形后期产生大量的孪晶组织.     

分子动力学模拟Cu(010)基体对负载Co-Cu双金属团簇熔化过程的影响

纳米团簇负载到基体上的结构演化和热稳定性是其走向技术应用的关键. 本文用分子动力学结合嵌入原子方法模拟了具有二十面体初始结构的Co₂₈₁Cu₂₈₀ 混合双金属团簇在Cu(010)基体上的熔化过程, 考察了基体的Cu原子可以自由移动(自由基体)和固定(固定基体)两种条件对负载团簇熔化的影响. 发现基体条件对团簇的熔化有明显的影响. 在自由基体上团簇原子的温度-能量曲线存在明显的团簇熔化时的能量突变点, 熔点为1320 K, 低于固定基体上团簇的熔点1630 K. 在升温过程中团簇的二十面体结构会在基体表面发生外延生长. 外延团簇随着温度增加发生表面预熔, 预熔原子会逐渐向基体表面扩散形成薄层, 直至完全熔化. 自由基体上团簇原子的嵌入行为会使原子的分布状态产生不同于固定基体上的演变.     

Molecular dynamics simulations of AlN deposition on GaN substrate

ABSTRACT

In this work, we investigated the deposition of AlN film on GaN substrate by using molecular dynamics (MD) simulations. The effects of GaN substrate surface, growth temperature, and injected N: Al flux ratio on the growth of AlN film were simulated and studied. Consequently, the deposited AlN film on the (0001) Ga-terminated GaN surface achieves better surface morphology and crystallinity than that on the (000-1) N-terminated GaN surface due to the different diffusion ability of Al and N adatoms on two GaN surfaces. Furthermore, with the increase of growth temperature, the surface morphology and crystallinity of AlN film were improved owing to the enhanced mobility of adatoms. At the optimised injected N: Al flux ratio of 1, comparatively good surface morphology and crystallinity of deposited AlN films were realised. This method lays a foundation for the follow-up real-time study of defects and stress evolution of AlN on GaN and can be applied to film growth of other materials.     

Cu(111)三维表面岛对表面原子扩散影响的分子动力学研究

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势，利用分子动力学方法计算了同质外延生长中不同层数的三维Cu(111)表面岛上表面原子扩散激活能，分析了三维表面岛的层数对表面原子交换扩散和跳跃扩散势垒的影响. 研究结果表明，二维Enrilich-Schwoebel(ES)势垒小于三维ES势垒，且三维ES势垒不随表面岛层数的增加而显著变化. 对于侧向表面为(100)的表面岛，表面原子沿〈011〉方向上的扩散行为，随表面岛层数增加而逐渐变化；在表面岛层数达到3层时，扩散路径上的势垒变化趋于稳定，表面原子扩散以下坡扩散为主. 对于侧面取向为(111)的表面岛，当表面岛层数大于3层后，开始呈现上坡扩散的可能. 关键词： 表面原子 扩散 分子动力学模拟