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。     

纳米铝杆拉伸过程的分子动力学模拟

应用嵌入原子势(EAM)和分子动力学方法对纳米单晶铝杆在外载荷作用下的原子滑移、位错等形变行为做了一些现象分析和研究.研究发现在势能曲线有明显抖动的地方对应的时间步刚好有滑移产生,说明滑移机制在纳米铝杆塑性变形过程中起着非常重要的作用.     

纳米铝杆拉伸过程的分子动力学模拟

本文主要应用嵌入原子势（EAM）和分子动力学方法对纳米单晶铝杆在外载荷作用下的原子滑移、位错等形变行为做一些现象分析和研究。发现在势能曲线有明显抖动的地方对应的时间步刚好有滑移产生,滑移机制在纳米铝杆塑性变形过程中起着非常重要的作用。     

碳纳米管从硅基板上剥离的拉伸分子动力学模拟研究

采用拉伸分子动力学方法研究了单壁碳纳米管(8, 8)在室温下从硅基板上被剥离的过程.当碳纳米管(CNT)在硅基底上被剥离时, 剥离距离和理想弹簧所测平均剥离力之间呈现一定规律的关系曲线,并出现了较大的正、负峰值. 比较了不同剥离速度下的平均剥离力,并拟合了其峰值与速度的关系. 拉伸分子动力学模拟结果显示,所需剥离力的最大值与速度之间呈现一定的线性关系, 模拟结果同生物物理学上类似的剥离实验结果符合较好,但相比于高分子, CNT和硅(Si)组成的界面吸附性能更强.讨论了碳纳米管长度、 半径及缺陷对剥离过程的影响,研究表明:所需最大的剥离力与CNT的长度无关, 但随CNT半径的增加,需要的最大剥离力线性增加; 5-7-7-5缺陷对剥离力最大值影响较小,而半径变化缺陷会削减最大剥离力. 在原子尺度对未来的试验进行了理论预测,为碳纳米管在硅微电子工业中的应用提供了理论基础.     

金属Zr中自间隙子扩散的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法,对HCP结构的金属锆中的自间隙子扩散进行研究。通过检查不同时刻维格纳原胞(Wigner-Seitz cell)中的原子个数的方法得到不同时刻缺陷的位置,应用Rahman-Parrinello应力控制方法计算出了外应力为零时α-Zr的4种不同扩散机制在不同温度下的扩散系数,通过扩散系数随温度变化的关系得到各种扩散机制的势垒。     

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     

单晶钨纳米线拉伸变形机理的分子动力学研究

利用分子动力学方法, 对本课题组率先采用金属催化的气相合成法制备出的高纯度单晶钨纳米线进行拉伸变形数值模拟, 通过分析拉伸应力-应变全曲线及其微观变形结构, 揭示出单晶钨纳米线的拉伸变形特征及微观破坏机理. 结果表明: 单晶钨纳米线的应力-应变全曲线可分为弹性阶段、损伤阶段、相变阶段、强化阶段、 破坏阶段等五个阶段, 其中相变是单晶钨纳米线材料强化的重要原因; 首次应力突降是由于局部原子产生了位错、孪生等不可逆变化所致; 第二次应力突降是发生相变的材料得到强化后, 当局部原子再次产生位错导致原子晶格结构彻底破坏而形成裂口、且裂口不断发展成颈缩区时, 材料最终失去承载能力而断裂. 计算模拟得到的单晶钨纳米线弹性模量值与实测值符合较好. 关键词： 分子动力学 应力应变曲线 微观机理 单晶钨纳米线     

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。     

金属Ti中He扩散的分子动力学模拟

研究材料中He原子的行为对提高贮氚材料的固氦性能十分必要，相对He行为的实验研究，理论模拟方面对其行为机理的研究相对薄弱。本文应用分子动力学（Molecular Dynamics）研究He原子在hcp结构金属Ti中的行为规律。     

含有缺陷3C-SiC陶瓷拉伸性能的分子动力学模拟

SiC纤维增韧SiC基复合材料(SiC_f/SiC)由于其优越的性能而成为新一代核能系统重要候选材料之一.材料中的缺陷会使材料的力学性能发生变化,本文运用分子动力学程序LAMMPS模拟计算了分别含有空位、微空洞和反位替代三种缺陷的3C-SiC结构体系沿[100]方向的拉伸变形过程,原子间相互作用采用Tersoff多体势描述.通过模拟得到不同缺陷体系的应力—应变曲线和拉伸过程中体系能量,通过分析应力-应变曲线,得到了不同缺陷体系的杨氏模量、断裂应变、拉伸强度随缺陷"浓度"的变化关系,最后分析了3C-SiC拉伸断裂机理.研究结果表明,空位和微空洞对杨氏模量、拉升强度的影响类似,都是随着缺陷"浓度"的增加而减小,反位替代缺陷使体系的杨氏模量随缺陷"浓度"的增加而增大.     

Molecular dynamics simulation of gas diffusion behavior in polyethylene terephthalate/aluminium/polyethylene interface

Molecular dynamics (MD) simulations were performed to estimate the diffusion coefficients of O₂ and H₂O molecules in polyethylene terephthalate/aluminum/polyethylene interface at the temperature of 298 K. It came out that the diffusion coefficient of gasses in the interface is smaller than that of a single polymer, and the diffusion coefficients compare well with experimental data as well as previously published work. Furthermore, the diffusion coefficients of H₂O molecules in the interface are preferable to that of O₂ molecules. Interestingly, the largest diffusion coefficient was detected in the polyethylene terephthalate/aluminum(1 0 0)/polyethylene interface, while the smallest value of the diffusion coefficients was found in the polyethylene terephthalate/aluminum(1 1 1)/polyethylene interface. Calculation and analysis of the interaction between aluminum and polymers indicated that the interaction of polymer/aluminum(1 1 0) has the most interface strength, and crystal density of the metal surface has a definite effect on the planar interface energy. What’s more, the figure of gas molecule concentration is further resulted that the interface make contribution to adsorption of gas molecules. Moreover, the diffusion is belonging to the Einstein diffusion in the multilayer materials, and this work provides some key clues to improve the performance of polymer materials.     

Molecular dynamics simulation of oxygen diffusion in dry and water-containing brown coal

Moisture content of brown coal has a pronounced impact on O₂ diffusion during coal oxidation. The transport behaviour of O₂ in dry and hydrated brown coal matrix with 10, 20, and 30?wt% moisture contents have been studied by molecular dynamics (MD) simulations at 298.15?K and 0.1?MPa. By analysing the diffusion characteristics of O₂, it is found that the diffusion process results from jumps of O₂ molecules between adjacent cavities in the coal matrix. With the increase of moisture content, the swelling extent of coal matrix increases in the range of 10–30?wt%, resulting in increased cavity volume, cavity interconnectivity, and mobility of coal macromolecule. These factors are all beneficial to the transport process of O₂ molecule. In addition, O₂ molecule prefers to reside in the available water-poor coal cavity and unoccupied region of water-rich cavity according to the estimated binding energies.     

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     

SiC纳米纤维/C/SiC复合材料拉伸行为的分子动力学研究

本文采用分子动力学计算方法和Tersoff作用势研究了无定型碳(amorphous carbon, a-C) 涂层厚度对SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料断裂方式及力学性能的影响. 分析结果发现, 随着涂层厚度的增加, 纳米纤维的平均应力集中系数下降, 即足够厚度涂层可以同时起到增强和补韧的作用. 当a-C涂层厚度t ≤ 0.3 nm时, 裂纹直接穿透纤维, 纳米复合材料表现出典型的脆性断裂方式; t = 4.0 nm时, 裂纹发生偏转, SiC纳米纤维发生拔出现象, 此时纳米复合材料的拉伸强度约为无涂层纳米复合材料的4倍, 断裂能则提高一个数量级. 计算结果表明, a-C涂层的厚度是SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料中产生韧性机理的重要因素, 即传统微米级陶瓷基复合材料的增韧理论在纳米复合材料中仍适用. 研究结果可望为设计同时具有高强度、高韧性的陶瓷基纳米复合材料提供理论基础.     

Molecular dynamics simulation of nanoscale surface diffusion of heterogeneous adatoms clusters

Molecular dynamics simulation employing the embedded atom method potential is utilized to investigate nanoscale surface diffusion mechanisms of binary heterogeneous adatoms clusters at 300 K, 500 K, and 700 K. Surface diffusion of heterogeneous adatoms clusters can be vital for the binary island growth on the surface and can be useful for the formation of alloy-based thin film surface through atomic exchange process. The results of the diffusion process show that at 300 K, the diffusion of small adatoms clusters shows hopping, sliding, and shear motion; whereas for large adatoms clusters(hexamer and above), the diffusion is negligible. At 500 K, small adatoms clusters, i.e., dimer, show almost all possible diffusion mechanisms including the atomic exchange process; however no such exchange is observed for adatoms clusters greater than dimer. At 700 K, the exchange mechanism dominates for all types of clusters, where Zr adatoms show maximum tendency and Ag adatoms show minimum or no tendency toward the exchange process. Separation and recombination of one or more adatoms are also observed at 500 K and 700 K. The Ag adatoms also occupy pop-up positions over the adatoms clusters for short intervals. At 700 K, the vacancies are also generated in the vicinity of the adatoms cluster,vacancy formation, filling, and shifting can be observed from the results.     

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     

Pb液滴在Ni基底润湿铺展行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了Pb液滴在Ni(100)晶面、(110)晶面和(111)晶面的铺展润湿行为. 结果表明: Pb液滴在Ni(100)及(111)基底上的润湿铺展现象呈各向同性, 而在Ni(110)基底上的润湿铺展现象呈明显的各向异性, 且这种各向异性源于Ni(110)晶面点阵结构上Pb原子沿不同晶向的扩散机制及速度的明显差异; Pb液滴在Ni(111)晶面上铺展时, 未发生表面合金化, 液滴铺展动力学描述近似满足 R² ∝ t, 而液滴在(100)晶面和(110)晶面上铺展时表面产生合金化现象, 铺展动力学关系近似满足 R⁴ ∝ t, 且液滴在(100)晶面上的铺展速度高于(110)晶面上的铺展速度. 关键词： 分子动力学 润湿各向异性 铺展膜 扩散机制     

二元Lennard-Jones液体的相分离过程及其扩散性质的分子动力学研究

采用分子动力学(MD)模拟方法,研究了二元体系中相分离过程、粒子的扩散系数以及相分离域尺寸大小随温度的变化规律.发现,相分离域随温度的生长过程可以分为两个阶段,分别是温度比较高的快速生长阶段和低温时的稳定生长阶段;相分离体系中系统的扩散激活能不是常数,而是一个随温度变化的函数,并且当温度高于60 K时,满足关系式E(T)=a+bT^c.讨论了组元尺寸的变化对相分离过程的影响.结果表明,随两组元中某一组元 关键词： 相分离 扩散 分子动力学模拟     

不同取向下单晶铁纳米线拉伸行为的模拟研究

本文利用分子动力学模拟的方法研究了不同取向、尺寸和温度因素对单晶体心立方铁纳米线的拉伸变形行为的影响.铁纳米线轴向初始取向分别为<001>、<110>、<111>、<102>、<112>,模拟了不同温度(10～700 K)和不同尺寸范围(1.5～5 nm)下的变形机制.研究结果表明取向、尺寸和温度会显著影响单晶体心立方铁纳米线的拉伸变形行为.分子动力学模拟结果表明,直径为2 nm的<001>铁纳米线在300 K的拉伸载荷下,主要通过孪晶的模式发生变形,最后拉伸取向转变为<110>.而在700 K下,<001>铁纳米线的拉伸变形模式由滑移主导.不同初始取向在不同温度和尺寸下其变形机制截然不同,这导致了铁纳米线不同的力学性能.本文系统性地研究了在不同取向下的铁纳米线变形机制随尺寸和温度变化发生的转变.     

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.