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。     

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.     

冲击波压缩下含纳米孔洞单晶铁的结构相变研究

利用分子动力学模拟方法对含纳米孔洞的单晶铁在冲击波压缩下的结构相变(由体心立方结构α到六角密排结构ε)进行了研究,单晶铁样品的尺寸为17.2nm×17.2nm×17.2nm，总原子数428341个，在样品的中央预置一个直径为1.12nm的孔洞，利用一活塞分别以350，500，1087m/s的速度撞击样品产生冲击波，对应的冲击波压缩应力分别为12，17，35GPa.撞击方向沿单晶铁的［100］晶向.计算结果表明，在冲击波压缩下，孔洞对铁中的相变起了诱导作用，伴随着孔洞的塌陷，相变首先出现在孔洞周围的(011)面和(011)面上，然后扩展到整个样品.通过分析冲击压缩下原子的位移历史，解释了相变的微观机制，发现孔洞周围的原子在{011}面上沿〈011〉晶向滑移，离孔洞中心距离越近的{011}面上的原子容易滑移，间隔一层的{011}面与相邻层原子的移动位移幅度不同，这种相对滑移导致出现了新的结构(hcp结构). 关键词： 相变 分子动力学 冲击波 纳米孔洞     

液态氧化铝结构的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟液态氧化铝从2663 K到过冷温度2223 K的结构变化,通过总双体分布函数得到的液态氧化铝的原子第一、第二近邻距离与Ansell研究小组的实验结果基本一致.通过配位数和偏角分布函数的分析,液态氧化铝的局域结构主要是由氧的三重铝原子配位和铝原子四重(AlO₄)和五重(AlO₅)氧原子配位组成.没有观察到可能因铝原子高、低配位数氧原子的团簇分离而出现的液-液相变.     

Mechanical Properties of Ni-Coated Single Graphene Sheet and Their Embedded Aluminum Matrix Composites

The effects of Ni coating on the mechanical behaviors of single graphene sheet and their embedded Al matrix composites under axial tension are investigated using molecular dynamics （MD） simulation method. The results show that the Young＇s moduli and tensile strength of graphene obviously decrease after Ni coating. The results also show that the mechanical properties of Al matrix can be obviously increased by embedding a single graphene sheet. From the simulation, we also find that the Young＇s modulus and tensile strength of the Ni-coated graphene/Al composite is obviously larger than those of the uncoated graphene/Al composite. The increased magnitude of the Young＇s modulus and tensile strength of graphene/Al composite are 52.27% and 32.32% at 0.01 K, respectively, due to Ni coating. By exploring the effects of temperature on the mechanical properties of single graphene sheet and their embedded Al matrix composites, it is found that the higher temperature leads to the lower critical strain and tensile strength.     

Mechanical Properties of Ni-Coated Single Graphene Sheet and Their Embedded Aluminum Matrix Composites

The effects of Ni coating on the mechanical behaviors of single graphene sheet and their embedded Al matrix composites under axial tensionare investigated using molecular dynamics (MD) simulation method. Theresults show that the Young's moduli and tensile strength of grapheneobviously decrease after Ni coating. The results also show that the mechanical properties of Al matrix can be obviously increased by embedding asingle graphene sheet. From the simulation, we also find that the Young'smodulus and tensile strength of the Ni-coated graphene/Al composite isobviously larger than those of the uncoated graphene/Al composite. Theincreased magnitude of the Young's modulus and tensile strength ofgraphene/Al composite are 52.27 and 32.32 at 0.01 K, respectively,due to Ni coating. By exploring the effects of temperature on the mechanicalproperties of single graphene sheet and their embedded Al matrix composites, it is found that the higher temperature leads to the lower critical strain and tensile strength.     

AlCrFeCuNi高熵合金力学性能的分子动力学模拟

高熵合金具有传统合金无法比拟的高强度、高硬度和高耐磨耐腐蚀性,具有广阔的应用前景。为研究AlCrFeCuNi高熵合金(High entropy alloy,HEA)在轴向载荷作用下的力学性能,采用分子动力学方法,模拟高熵合金的实验制备过程并建立原子模型,研究温度和Al的含量对AlCrFeCuNi高熵合金力学性能的影响,从材料学角度分析了变形过程及其具有高塑性的原因。模拟结果表明,AlCrFeCuNi高熵合金在拉伸载荷作用下依次经历弹性、屈服、塑性3个变形阶段。在屈服阶段,开始出现孪晶和层错,孪晶和层错的产生和生长是合金产生不均匀塑性变形的主要原因之一。高熵合金的杨氏模量和屈服应力随着Al含量的增加近似线性降低,同时具有很强的温度效应,温度越低,Al含量越小,其杨氏模量和屈服应力的下降幅度越大。     

Molecular Dynamics Study of Effects of Si-Doping Upon Structure and Mechanical Properties of Carbon Nanotube

In this paper, a Si-doped single-walled carbon nanotube (SWCNT) (7,7) and several perfect armchair SWCNTs are investigated using the classical molecular dynamics simulations method. The inter-atomic short-range interaction is represented by empirical Tersoff bond order potential. The computational results show that the axial Young's modulus of the perfect SWCNTs are in the range of 1.099 ± 0.005 TPa, which is in good agreement with the existing experimental results. From our simulation, the Si-doping decreases the Young's modulus of SWCNT, and with the increased strain levels, the effect of Si-doped layer in enhancing the local stress level increases. The Young's modulus of armchair SWCNTs are weakly affected by tube radius.     

高压下Nb3Sn单晶的超导相转变

研究高压下Nb₃Sn单晶的超导相转变行为对探究力学变形诱导的材料超导性能弱化机理有重要意义。通过分子动力学模拟研究了Nb₃Sn单晶在高压下的原子尺度变形和晶体结构变化,在此基础上,建立了高压下Nb₃Sn单晶的超导相转变模型,模型预测结果与实验观测结果吻合较好。结果表明:静水压作用下,Nb₃Sn单晶体发生了明显的晶格畸变,但晶体结构保持完整;压力诱导的费米面上电子态密度的变化在高压下Nb₃Sn单晶体超导相转变中起主导作用。所得研究结果为研究高压下Nb₃Sn多晶体以及复合多晶体的相转变行为奠定了基础,同时有助于进一步认识Nb₃Sn材料超导性能的弱化机理。     

ZnO单晶的微区光致发光特性研究

ZnO单晶材料以其优良的综合性能在光电子器件方面掀起了研究热潮,因此对ZnO单晶的研究具有重要的理论和实践意义。采用激光辐照的方式,对ZnO单晶进行了光致发光(photoluminescence, PL)光谱实验,分析研究了ZnO单晶在不同温度(低温)和不同激光能量强度照射下其光致发光特性。研究结果表明,ZnO单晶内存在少量杂质及表面氧缺陷,这些结构对其发光特性有一定的影响;在低温条件下,ZnO单晶具有良好的发光特性,且随着温度的提高,发光光谱峰的位置会向长波长方向移动,但强度会减小;当激光光源的强度增大,ZnO单晶的PL发射光谱的强度也会随之增大,且峰的位置和相对强度不变。结合拉曼(Raman)光谱实验,从分子及原子振动、转动类型验证了纤锌矿ZnO单晶的六方晶系结构;配合X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)技术,得出ZnO单晶良好的结晶特性以及晶轴取向。     

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.     

碳纳米管与有机小分子官能团相互作用的分子动力学研究

利用Material Studio软件先对不同半径的碳纳米管进行结构优化,再对优化后的纳米管进行分子动力学模拟。得到如下结论：经过优化后小半径纳米管结构基本不变,但是随着半径增大纳米管形变越来越明显。同时通过对多根管簇研究后发现也有相似动力学特性。在以上纳米管结构外面加上一定密度随机排列的对苯二甲酸二辛酯（DOTP）有机分子,发现DOTP有机分子与不同结构、不同半径的纳米管之间都存在相互作用,纳米管半径越大相互作用力也越大,同时DOTP分子在纳米管周围排列也逐渐从无序趋于有序。通过计算以上结构的径向分布函数（RDF）等热力学特性,定性和定量地验证了以上结果。     

载能Ni原子斜入射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,利用分子动力学模拟,详细研究不同角度入射的载能Ni原子在Pt(111)基体表面的沉积过程.结果表明,随着入射角度θ从0°增加到80°,溅射产额、表面吸附原子产额、空位产额的变化情况均可按入射角度近似地分为θ≤20°,20° < θ < 60°和θ≥60°三个区域.当θ≤20°时,载能沉积对基体表面的影响与垂直入射时的情况类似,表面吸附原子的分布较为集中,入射原子容易达到基体表面第二层及以下,对基体内部晶格产生-定的影响;在20° < θ < 60°的范围内,入射原子的注入深度有所下降,对基体内部晶格的影响减小,表面吸附原子的分布较为均匀,有利于薄膜的均匀成核与层状生长;当θ≥60°时,所有入射原子均直接被基体表面反射,表面吸附原子产额、溅射产额、表面空位产额均接近0,载能沉积作用没有体现.