熔融Cu55团簇在铜块体中凝固过程的分子动力学模拟

应用基于嵌入原子势函数的分子动力学方法,模拟了嵌入在具有面心立方结构同质块体中的熔融Cu55团簇在不同急冷温度下微观结构的演变情况.通过计算熔融Cu55团簇的均方位移和原子平均能量随时间步的变化,并应用键对分析技术,分析了急冷温度对熔融Cu55团簇结构变化的影响.研究结果表明,由于受到块体结构的影响,在所研究的急冷温度范围内,熔融Cu55团簇在凝固过程中形成了以面心立方结构为主的微观结构.结晶过程是原子不断交换其位置的过程,团簇原子位置的重排敏感于温度的变化.随着急冷温度的升高,原子的扩散范围增大.在100,300和500 K三个较低的温度下有利于形成稳定的面心立方结构,但当急冷到100 K时,团簇中的原子在没有找到其最佳位置之前就已经完成晶化.在急冷到500 K时,团簇中的原子在块体中扩散充分,与块体中的原子形成理想的面心立方结构.在700,900和1100 K三个较高的温度上,局域结构表现为随时间步波动性变化.     

熔融Cu55团簇在铜块体中凝固过程的分子动力学模拟

应用基于嵌入原子势函数的分子动力学方法,模拟了嵌入在具有面心立方结构同质块体中的熔融Cu₅₅团簇在不同急冷温度下微观结构的演变情况.通过计算熔融Cu₅₅团簇的均方位移和原子平均能量随时间步的变化,并应用键对分析技术,分析了急冷温度对熔融Cu₅₅团簇结构变化的影响.研究结果表明,由于受到块体结构的影响,在所研究的急冷温度范围内,熔融Cu₅₅团簇在凝固过程中形成了以面心立方结构为主的微观结构.结晶过程是原子不断交换其位置的过程,团簇原子位置的重排敏感于温度的变化.随着急冷温度的升高,原子的扩散范围增大.在100,300和500 K三个较低的温度下有利于形成稳定的面心立方结构,但当急冷到100 K时,团簇中的原子在没有找到其最佳位置之前就已经完成晶化.在急冷到500 K时,团簇中的原子在块体中扩散充分,与块体中的原子形成理想的面心立方结构.在700,900和1100 K三个较高的温度上,局域结构表现为随时间步波动性变化. 关键词： 团簇 分子动力学 计算机模拟 凝固     

非晶Ag晶化过程中不同类型晶核结构的识别与跟踪

采用分子动力学模拟研究了非晶Ag的等温晶化过程,通过原子轨迹逆向追踪法分析了不同类型晶体团簇的结构遗传与组态演化.在团簇类型指数法的基础上,根据基本团簇种类与联结方式不同,提出了一种可区分fcc单晶、多晶与混晶团簇的分析方法.在非晶Ag等温晶化过程中,基于团簇结构的连续遗传性特征,发展了一种可区分fcc单晶、多晶与混晶晶胚与晶核的结构分析技术.结果发现:不论临界尺寸还是几何构型,不同类型的晶核结构都存在差异,其中fcc单晶临界尺寸最小,多晶次之,混晶最大; fcc单晶与多晶壳层原子中有少量hcp和bcc原子,而混晶壳层则全部为非晶类原子,并且fcc单晶、多晶与混晶的临界晶核都不是球型结构.     

纳米团簇熔化过程的分子动力学模拟

本文采用分子动力学结合嵌入原子多体势,模拟了不同半径的Ni纳米团簇的升温熔化过程,研究团簇尺寸对熔点和表面能的影响.模拟结果表明:团簇的熔点显著低于体材料的熔点.团簇熔化的过程首先是在团簇的表面出现预熔,然后向团簇内部扩展,直到整个团簇完全熔为液态.在模拟的纳米尺度范围内,团簇的熔点与团簇尺寸基本成线性关系.团簇的表面能随着团簇尺寸的增大而减小,而且表面能均高于体材料的表面能.     

金属钛中氦团簇融合的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究了金属钛中氦的扩散聚集行为.在300—800K的温度范围内,模拟了钛基底中氦团簇之间的融合过程.研究发现,温度的升高会加快氦团簇的融合.在300—800K,融合后的氦团簇在所模拟的时间尺度内三维结构保持不变.模拟结果还表明,常温下氦团簇之间的吸引力是导致氦团簇融合的重要因素. 关键词： 氦团簇 团簇融合 分子动力学模拟     

分子动力学模拟纯镁熔体凝固过程中结构演化

采用分子动力学模拟方法模拟了在周期性边界条件下由500个原子构成的液态Mg模型系统的凝固过程,分别考察了在5×10^14 K/s、5×10^13 K/s、1×10^13 K/s 、1×10^12 K/s的冷却速率下液态Mg熔体的凝固行为。模拟结果很好地重现了实验值。模拟中原子间作用势采用FS势,结构分析采用径向分布函数、均方位移、系统总能量分析、H-A键对分析技术等方法。结果表明,当冷却速率为5×10^14 K/s时,系统形成以1541键对为主的非晶态结构;当冷却速率分别为5×10^13 K/s、1×10^13 K/s、1×10^12 K/s时,系统形成以1421、1422键对为主的hcp晶态结构;另外,在快速冷却形成非晶的过程中,大部分bcc结构被保留下来,而在慢冷形成晶态的过程中,大部分bcc结构最终演化形成了hcp结构。     

Ag309团簇升温过程中结构转变的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟研究了具有面心立方(fcc)晶格结构的截断八面体Ag309团簇升温过程中结构演变.对团簇的能量曲线变化、快照图演变和键对分析表明:无缺陷截断八面体Ag309团簇在410 K时转变为二十面体,在840 K时熔化;不同缺陷诱导二十面体结构转变温度异常变化,沿晶面滑移缺陷使二十面体转变温度升高,沿晶面旋转缺陷使二十面体结构转变温度降低;不同缺陷对团簇键型和势能产生的影响是使二十面体结构转变温度异常变化的主要诱导因素.这种通过缺陷控制团簇结构转变的研究为新型纳米结构的可控制备提供理论基础.     

Ag309团簇升温过程中结构转变的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟研究了具有面心立方（fcc）晶格结构的截断八面体Ag309团簇升温过程中结构演变。对团簇的能量曲线变化、快照图演变和键对分析表明：无缺陷截断八面体Ag309团簇在410 K时转变为二十面体,在840 K时熔化;不同缺陷诱导二十面体结构转变温度异常变化,沿晶面滑移缺陷使二十面体转变温度升高,沿晶面旋转缺陷使二十面体结构转变温度降低;不同缺陷对团簇键型和势能产生的影响是使二十面体结构转变温度异常变化的主要诱导因素。这种通过缺陷控制团簇结构转变的研究为新型纳米结构的可控制备提供理论基础。     

金属铜Cu凝固过程中晶体生长与团簇微观结构演变特性的模拟研究

采用分子动力学方法和Quantum Sutton-Chen（QS-C）多体势,对液态金属铜（Cu）凝固过程中的晶体生长规律及纳米团簇微观结构转变特性进行了模拟跟踪研究．运用Honeycutt-Andersen（HA）键型指数法和新的原子团类型指数法（CTIM-2）分析了金属Cu原子的成键类型和原子团簇结构演变特性.结果发现：当以1.0×1013K/s速率凝固时,系统最终形成晶体和非晶体混合共存结构;在以4.0×1012K/s速度冷却时,系统从673K就开始结晶,并形成以1421和1422二种键型为主的晶体结构;面心立方（FCC）和六角密集（HCP）结构在形成晶体铜时起着非常重要的作用,尤其是由1421键型构成的面心立方（12 0 0 0 12 0）基本原子团在晶体生长和纳米团簇结构形成过程中占主导地位.     

金属铜Cu凝固过程中晶体生长与团簇微观结构演变特性的模拟研究

采用分子动力学方法和Quantum Sutton-Chen（QS-C）多体势,对液态金属铜（Cu）凝固过程中的晶体生长规律及纳米团簇微观结构转变特性进行了模拟跟踪研究．运用Honeycutt-Andersen（HA）键型指数法和新的原子团类型指数法（CTIM-2）分析了金属Cu原子的成键类型和原子团簇结构演变特性.结果发现：当以1.0×1013K/s速率凝固时,系统最终形成晶体和非晶体混合共存结构;在以4.0×1012K/s速度冷却时,系统从673K就开始结晶,并形成以1421和1422二种键型为主的晶体结构;面心立方（FCC）和六角密集（HCP）结构在形成晶体铜时起着非常重要的作用,尤其是由1421键型构成的面心立方（12 0 0 0 12 0）基本原子团在晶体生长和纳米团簇结构形成过程中占主导地位.     

A simulation study of microstructure evolution during solidification process of liquid metal Ni

A molecular dynamics simulation study has been performed for the microstructure evolution in a liquid metal Ni system during crystallization process at two cooling rates by adopting the embedded atom method (EAM) model potential. The bond-type index method of Honeycutt--Andersen (HA) and a new cluster-type index method (CTIM-2) have been used to detect and analyse the microstructures in this system. It is demonstrated that the cooling rate plays a critical role in the microstructure evolution: below the crystallization temperature $T_{\rm c}$, the effects of cooling rate are very remarkable and can be fully displayed. At different cooling rates of $2.0\times10^{13}$\,K\,$\cdot$\,s$^{-1}$ and $1.0\times10^{12}$\,K\,$\cdot$\,s$^{-1}$, two different kinds of crystal structures are obtained in the system. The first one is the coexistence of the hcp (expressed by (12 0 0 0 6 6) in CTIM-2) and the fcc (12 0 0 0 12 0) basic clusters consisting of 1421 and 1422 bond-types, and the hcp basic cluster becomes the dominant one with decreasing temperature, the second one is mainly the fcc (12 0 0 0 12 0) basic clusters consisting of 1421 bond-type, and their crystallization temperatures $T_{\rm c}$ would be 1073 and 1173\,K, respectively.     

分子动力学模拟尺寸对纳米Cu颗粒等温晶化过程的影响

采用分子动力学方法和镶嵌原子势, 模拟了4000个Cu原子和13500个Cu原子(简称Cu₄₀₀₀和Cu₁₃₅₀₀)组成的纳米颗粒以及块体Cu的等温晶化过程. 通过对这些颗粒在晶化过程中结构和动力学行为的分析研究, 发现低温时, 不同尺寸的纳米Cu颗粒均出现多步晶化, 且晶化时间的分布曲线远比高温时范围大; 除了温度, 颗粒尺寸对晶化行为也有重要的影响, 尺寸越大, 晶化时间越长, 最终的晶化程度越高; 但是晶化时间随尺寸增大而增加的趋势不会一直持续, 发现存在一个临界尺寸r_c, 小于r_c时, 晶化时间随颗粒尺寸增大而增加, 大于r_c时,晶化时间随尺寸增大而减小.     

Molecular dynamics simulation of an argon cluster filled inside carbon nanotubes

The effects of the diameters of single-walled carbon nanotubes （SWCNTs） （7.83A to 27.40A） and temperature （20 K-45 K） on the equilibrium structure of an argon cluster are systematically studied by molecular dynamics simulation with consideration of the SWCNTs to be fixed. Since the diameters of SWCNTs with different chiralities increase when temperature is fixed at 20 K, the equilibrium structures of the argon cluster transform from monoatomic chains to helical and then to multishell coaxial cylinders. Chirality has almost no noticeable influence on these cylindrosymmetric structures. The effects of temperature and a non-equilibrium sudden heating process on the structures of argon clusters in SWCNTs are also studied by molecular dynamics simulation.     

异质原子在Cu（001）表面扩散的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟单个增原子Ag,Pd和Cu在Cu（001）表面上的扩散过程.通过对自扩散和异质扩散过程中扩散机制的观察,统计三种不同的增原子在不同温度下的扩散频率,拟合给出扩散势垒和扩散频率的指前因子,并与扩散势垒的静力学计算结果进行比较.结果表明：在800 K以下时,三种增原子均以简单跳跃机制为主扩散,与衬底不互溶的Ag增原子的跳跃频率最大,与衬底互溶的Pd增原子的跳跃频率最小.同质增原子与异质增原子的扩散频率和温度的关系均较好地符合Arrhenius公式,由Arrhenius公式拟合给出的三种不同增原子的扩散势垒与表面结构和增原子表面结合能有关.Pd和Cu增原子从跳跃机制为主向交换机制为主的转换温度分别在825和937 K左右. 关键词： 表面扩散 分子动力学模拟     

Ti3Al合金凝固过程晶核形成及演变过程的模拟研究

采用分子动力学方法对Ti₃Al合金的形核机理进行了模拟研究,采用团簇类型指数法(CTIM),对凝固过程不同尺度的原子团簇结构进行了识别和表征,深入研究了临界晶核的形成和长大过程.结果表明,凝固过程体系包含了数万种不同类型的原子团簇结构,但其中22种团簇结构类型对结晶形核过程起关键性作用.在晶核的形成和长大过程,类二十面体(ICO)原子团簇、类BCC原子团簇和缺陷FCC及缺陷HCP原子团簇在3个特征温度点T₁ (1110 K), T₂ (1085 K)和T₃ (1010 K)时达到数量上的饱和,并根据数量和空间分布随温度的变化,得到了它们在形核和长大过程相互竞争的关系.跟踪平行孪生晶粒形成和长大的过程发现,临界晶核是由FCC原子构成的单相结构,并未观察到亚稳BCC相优先形核的过程;平行孪生结构是由FCC单相晶核在沿密排面逐层生长过程中形成的.结果还表明, CTIM相比于其他微观结构表示方法,能更为准确地揭示凝固过程微观结构的转变特征.     

金属钛中氦团簇生长行为的分子动力学研究

运用分子动力学方法模拟了常温下金属钛中氦团簇的生长过程.从能量的角度考察了氦团簇的生长机理.研究发现,随着氦团簇的生长,在氦团簇周围逐渐形成位错环缺陷,氦团簇与氦原子的结合能有逐渐下降的趋势,当氦团簇生长到一定尺寸时会通过发射周围缺陷以使得结合能上升,从而增强了进一步吸收氦原子的能力.模拟还发现,随着氦团簇的继续生长,氦团簇的形状由原来的不规则结构逐渐变成了较为规则的棱柱形结构,在随后的生长过程中其生长仅在（001）平面进行,沿［001］轴的厚度几乎不变. 关键词： 氦团簇 缺陷发射 分子动力学模拟     

Ni-Co合金快淬过程的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟熔体旋淬技术的合金快淬过程,在不同的冷却速度下研究Ni-Co合金在快淬后的结构特征.模拟发现:Ni-Co二元合金的凝固过程对冷却速率的变化较为敏感,体系对形成非晶对冷却速率要求较高,约在80 K/ps以上,可以采用增加添加元素的方法来降低材料对冷却速率的要求;在75 K/ps的冷却速率下合金最终完全晶...     

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.