纳米单晶铜薄膜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟

固体的断裂过程贯通宏、细、微观多个层次尺度，涉及固体力学、材料科学与物理学等领域。细观破坏过程的4种基本构元(孔洞、微裂纹、界面失效、变形局部化等)的起源和演化描述必须在微(纳)观尺度才能完全阐明。从原子尺度运用分子动力学技术模拟纳米单晶铜薄膜中孔洞在拉伸作用下的力学行为和动态断裂过程。     

不同波形加载下[100]单晶铝层裂破坏的分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法模拟了[100]单晶铝在等冲量斜波和方波作用下的形变和层裂行为,分析了加载波形与层裂行为之间的相关性。研究表明,脉冲形状与热力学路径的协同作用影响了材料层裂。不同加载波形下单晶铝层裂强度的差异并非受缺陷主导的非均匀孔洞形核影响,而是由不同热力学路径下温升的差异决定。例如：当最大加载速度为3.00 km/s时,单晶铝均经历均匀层裂,但斜波加载下铝的层裂强度较方波加载时提升56.6%。斜波加载会产生逐渐增强的压缩波,使单晶铝产生相比于冲击加载更轻度的损伤。这一现象随着加载速度的提高而变得更加显著。

     

孔洞对FeCrNiCoCu高熵合金拉伸性能影响的分子动力学研究

孔洞是FeCrNiCoCu高熵合金在制备过程中常见的缺陷,为此本文利用分子动力学模拟方法构建含孔洞的FeCrNiCoCu模型进行单轴拉伸模拟,探究了孔洞位置、孔洞半径和变形温度对其力学性能的影响.研究发现,在Z轴晶向为[111]的晶体中和晶界处的孔洞会显著降低模型的屈服应变和屈服强度,但对模型的杨氏模量影响不大.随着晶界处孔洞半径的增大,在弹性阶段,孔洞半径增大使应力集中面积增大,有利于位错形核,模型的力学性能随之降低.在塑性变形阶段,随着孔洞半径的增大,初始位错更倾向于向Z轴晶向为[001]的晶体中扩展.在中、低温条件下(T<800K),模型保持良好的力学性能;在高温条件下,力学性能显著降低.在高温塑性变形阶段,模型中的总位错线长度较低,平均流变应力也较低.     

纳米单晶铜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了拉伸状态下纳米单晶铜中孔洞的力学行为。通过与无孔纳米单晶铜块体弹性性能的比较,可知小孔使纳米单晶铜的弹性模量显下降。弹性阶段,有孔单晶铜中无位错产生;超过其弹性极限后,位错线从四周向有孔单晶铜内部发射,位错滑移为其主要变形机制。     

纳米单晶铜中孔洞拉伸变形的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了拉伸状态下纳米单晶铜中孔洞的力学行为.通过与无孔纳米单晶铜块体弹性性能的比较,可知小孔使纳米单晶铜的弹性模量显著下降.弹性阶段,有孔单晶铜中无位错产生;超过其弹性极限后,位错线从四周向有孔单晶铜内部发射,位错滑移为其主要变形机制.     

强激光辐照下孔洞尺寸对铁相变过程的影响

 利用分子动力学模拟研究了完美单晶铁以及含不同尺寸孔洞的单晶铁相变过程,分析了孔洞尺寸对相变过程的影响。模拟结果表明：孔洞的存在降低了相变的阈值应力,加速了相变区域成核速率和相变传播速率;随着孔洞直径的增大,相变的阈值应力逐渐降低;孔洞也改变了相变的初始成核区域,使相变区域呈现出一个蝴蝶状的形貌;孔洞反射的稀疏波对相变成核区域的影响随孔洞体积增大而增大,导致孔洞周围出现大量的无序结构原子;孔洞体积对相变的影响也体现在了粒子速度空间分布上,压缩过程中孔洞周围出现的大量“热点”导致了更低的粒子速度空间分布。     

强激光辐照下孔洞尺寸对铁相变过程的影响

利用分子动力学模拟研究了完美单晶铁以及含不同尺寸孔洞的单晶铁相变过程,分析了孔洞尺寸对相变过程的影响。模拟结果表明：孔洞的存在降低了相变的阈值应力,加速了相变区域成核速率和相变传播速率;随着孔洞直径的增大,相变的阈值应力逐渐降低;孔洞也改变了相变的初始成核区域,使相变区域呈现出一个蝴蝶状的形貌;孔洞反射的稀疏波对相变成核区域的影响随孔洞体积增大而增大,导致孔洞周围出现大量的无序结构原子;孔洞体积对相变的影响也体现在了粒子速度空间分布上,压缩过程中孔洞周围出现的大量“热点”导致了更低的粒子速度空间分布。     

带孔洞的金属拉伸的分子动力学

在不同负静压下对中心带有一个球形孔洞的面心立方金属铜进行分子动力学模拟,从晶体的形变,原子分布示意图,径向分布函数等方面进行讨论.发现在弱的负压下,孔洞及材料作弹性变形,超过一定阈值时出现塑性变形,并在局部出现相变.在极强的负压下,材料断裂.随拉伸应力的增加,材料经历弹性均匀拉伸——局部fcc到hcp的相变及缺陷的产生——缺陷积累产生微裂纹或空洞——材料断裂的过程.     

空位缺陷对单层硅烯薄膜力学性能的影响

采用基于分子动力学理论的Forcite模拟软件包对含不同浓度的单、双空位缺陷硅烯薄膜的超晶胞体系进行优化,并对其力学性能进行了计算和分析.结果表明:随着空位缺陷浓度的增加,硅烯薄膜的拉梅常数、泊松比、体弹模量和剪切模量呈线性递减趋势,而由于空位缺陷附近键长的缩减导致硅烯薄膜\"硬化\"与空位缺陷浓度的增加导致硅烯晶格中硅原子密度降低,两种体制的竞争使得硅烯杨氏模量表现出先升高在降低的趋势.     

镍基单晶超合金Ni/Ni3Al晶界的分子动力学模拟

在镍基单晶超合金中,由于单晶Ni的晶格常数比单晶Ni3Al的稍小,在Ni/Ni3Al晶界面上必然要出现错配.采用分子动力学模拟了镍基单晶超合金的Ni/Ni3Al晶界的结构,考虑了两个不同的初始模型,并进行了分子动力学弛豫.弛豫的结果均表明:由于晶格的差异形成的错配能不是通过长程晶格错配的方式来释放,而是通过在局部区域形成位错的方式释放的.由于Ni3Al相周围Ni相环境的不同,形成的位错也有所不同.     

Mechanical properties of self-irradiated single-crystal copper

Molecular dynamics simulations are performed to investigate the influence of irradiation damage on the mechanical properties of copper. In the simulation, the energy of primary knocked-on atoms （PKAs） ranges from 1 to 10 keV, and the results indicate that the number of point defects （vacancies and interstitials） increases linearly with the PKA energy. We choose three kinds of simulation samples： un-irradiated and irradiated samples, and comparison samples. The un-irradiated samples are defect-free, while irradiation induces vacancies and interstitials in the irradiated samples. It is found that due to the presence of the irradiation-induced defects, the compressive Young modulus of the single-crystal Cu increases, while the tensile Young modulus decreases, and that both the tensile and compressive yield stresses experience a dramatic decrease. To analyze the effects of vacancies and interstitials independently, the mechanical properties of the comparison samples, which only contain randomly distributed vacancies, are investigated. The results indicate that the vacancies are responsible for the change of Young modulus, while the interstitials determine the yield strain.     

低能原子沉积在Pt(111)表面的分子动力学模拟

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模拟了六种贵金属原子(Ni,Pd,Pt,Cu,Ag,Au)分别在Pt(111)表面低能沉积的动力学过程.结果表明:随着入射能量从0.1eV升高到200eV,基体表面原子是按层迁移的,沉积过程对基体表面的影响和沉积原子在基体表层的作用均存在两个转变能量(ET1≈5eV,ET2≈70eV).当入射能量低于5eV时,基体表面几乎没有吸附原子和空位形成,沉积原子在基体表层几乎没有注入产生;当入射能量在5—70eV范围内时,沉积原子在基体表层有注入产生,其注入深度小于两个原子层,即为亚注入,此时吸附原子主要由基体表层原子形成,基体表面第三层以下没有空位形成;当入射能量高于70eV时,沉积原子的注入深度大于两个原子层,将会导致表面以下第三层形成空位,并且空位产额随入射能量的升高而急剧增加.基于分子动力学模拟的结果,对低能沉积作用下的薄膜生长以及最优沉积参数的选择进行了讨论.     

空位在金刚石近(001)表面扩散的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了空位在金刚石近(001)表面的扩散过程,研究了温度对空位扩散的影响.结果表明,当温度为1000K左右时,位于近表面第二层上的空位开始向表面运动;当温度在1400—2000K时,空位完全扩散到表面.这与实验结果和其他计算结果符合得很好.同时发现,温度为1400—1800K时,空位的扩散经历了两次迁移运动,其分别对应了均方位移图中的两个极大值.在不施加任何约束的条件下得到了空位的动态扩散路径,空位在金刚石近(001)表面的扩散势垒约为042eV.并探讨了一定温度下空位数目增多及其不同排列关键词：金刚石空位扩散分子动力学     

A simple theoretical model for evaluating the ability to form a single crystal

A simple theoretical model proposed recently to evaluate the ability of bulk materials to form single crystals is further tested via vast molecular dynamics simulations of growth for fcc (Ni,Cu,Al,Ar) and hcp (Mg) crystals,especially applied to the growth of bcc (Fe) crystal,showing that the validity of the model is independent of crystal types and the interaction potentials of the constitute atoms.     

Thermal transport properties of defective graphene:A molecular dynamics investigation

In this work the thermal transport properties of graphene nanoribbons with randomly distributed vacancy defects are investigated by the reverse non-equilibrium molecular dynamics method. We find that the thermal conductivity of the graphene nanoribbons decreases as the defect coverage increases and is saturated in a high defect ratio range. Further analysis reveals a strong mismatch in the phonon spectrum between the unsaturated carbon atoms in 2-fold coordination around the defects and the saturated carbon atoms in 3-fold coordination, which induces high interfacial thermal resistance in defective graphene and suppresses the thermal conductivity. The defects induce a complicated bonding transform from sp2 to hybrid sp–sp2network and trigger vibration mode density redistribution, by which the phonon spectrum conversion and strong phonon scattering at defect sites are explained. These results shed new light on the understanding of the thermal transport behavior of graphene-based nanomaterials with new structural configurations and pave the way for future designs of thermal management phononic devices.     

体材料结晶能力的理论预测

引入评价晶体材料缺陷的残缺度及描述晶面表面势场的结晶势两个概念,针对Ni,Cu,Al,Ar单质在不同温度条件下的再结晶过程进行了大量的分子动力学模拟,发现残缺度随结晶势的增大而单调地减小,即结晶势越大则形成单晶体能力越强.由于结晶势能够唯一地确定结晶能力并且其计算简单,因此可从理论上快速方便地预测材料形成单晶体的能力.关键词：单晶结晶分子动力学材料设计