碳纳米管熔接金电极的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法,研究了单壁碳纳米管与Au电极的高温熔接. 模拟结果表明,用端口吸附了Au团簇的碳纳米管在高温下能很好地与Au电极熔接. 首先将Au团簇放置于碳纳米管开口处进行高温退火,退火温度在1100 K左右,Au团簇部分Au原子进入碳纳米管管内,吸入碳纳米管中的Au原子形成壳层螺旋结构的Au纳米线,管外Au团簇呈无定形结构. 然后将吸附了Au团簇的碳纳米管与Au电极进行熔接,高温退火后,碳纳米管与Au电极表面之间形成了稳固的熔接,熔接最佳温度在800 K左右. 关键词： 碳纳米管 金电极 分子动力学模拟     

单壁氮化硼纳米管压缩特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,分别模拟完好的和含有缺陷的(7,7)扶手椅型氮化硼纳米管的轴向压缩过程.原子间的相互作用采用Tersoff多体势函数来描述.为验证结果的可靠性,同时针对(7,7)扶手椅型碳纳米管进行对比计算.结果表明,氮化硼纳米管的压缩失效模式同碳纳米管相同,均表现为管壁的局部屈曲.发现纳米管的压缩强度,如临界轴向内力在低温下受温度影响明显,并且和应变率的大小有关.然而,应变率对纳米管的弹性变形没有影响.另外,还发现空位缺陷降低了纳米管的力学性能.与完好的纳米管相比,含有缺陷的纳米管轴向压缩强度对于温度的影响并不敏感.     

退火温度调控多层折叠石墨烯力学性能的分子动力学模拟

退火是石墨烯宏观组装材料常用的制备工艺之一,广泛用于其性能的调控.在石墨烯基材料中,石墨烯片层由于其自身的二维特性通常在微纳米尺度下呈现出多层折叠的结构.然而这种微观结构对材料力学性能退火调控的影响仍未得到充分的了解.为了阐明多层折叠石墨烯力学性能与退火温度间的调控关系,基于分子动力学模拟研究了材料弹性模量、拉伸强度、极限应变以及断裂韧性等关键力学性能参数随退火温度的变化规律,进而结合观察微观结构的演化过程揭示了性能调控现象的物理机制.结果表明:更高的退火温度将增强多层折叠石墨烯的弹性模量与拉伸强度,但同时削弱了其极限应变,并且其断裂韧性能够在一定退火温度范围内实现强化.研究发现,以上力学性能的调控作用归因于更高的退火温度将造成更加密集的层间交联,从而增强了折叠区域层间界面的相互作用,并限制了折叠结构的形态展开,致使结构破坏模式发生转变.     

纳米多孔银力学性能表征分子动力学模拟

纳米多孔金属拥有优异的物理、化学性能,在众多领域中极具应用前景.相关力学性能的认知是实现其功能化应用的重要基础之一.基于分子动力学模拟,以三种拓扑结构(立方体结构、金刚石结构、螺旋体结构)的纳米多孔银为对象,研究了单轴拉伸下的力学响应,探讨了拓扑结构和相对密度与其力学性能的内在联系.仿真结果表明,纳米多孔银的极限强度和杨氏模量随相对密度增大而增大的同时,还紧密地依赖于拓扑结构.其中,金刚石结构与螺旋体结构的模量随相对密度的变化趋势较为相近,而螺旋体结构中螺旋形式的孔棱在受力拉直的过程中抵抗变形,表现出相对较好的塑性.立方体结构中,孔棱分布形式单一,抵抗变形的能力较弱,模量值较低.同一相对密度下,金刚石结构的强度最大,立方体结构次之,螺旋体结构最小.金刚石结构中,交错的孔棱间形成三角骨架结构,具有一定的稳定性,表现出相对较高的强度.     

金原子纳米团簇的负热容现象的分子动力学模拟研究

文中采用微正则分子动力学方法模拟研究了原子数N=60到675之间的6种金原子纳米团簇从固态到液态的熔解过程,得到了势能和热容量随温度的变化关系.其结果表明,所模拟的6种团簇在熔点附近出现负热容,通过对这些团簇熔解前后的势能以及结构变化的分析,探讨了产生负热容的微观机制.     

碳纳米管和碳化硅纳米管热导率的分子动力学研究

采用Tersoff势测试和研究了反向非平衡分子动力学中的Müller-Plathe法和Jund法在一维纳米管热传导中的应用.在相同的模拟步数中,Müller-Plathe法可以得到很好的结果,热导率在交换频率大于50时对参数的选择并不敏感.然而,Jund法并不能得到良好的线性温度梯度,其热导率在一定程度上依赖于选择的热流大小.在此基础上,运用Müller-Plathe法进一步研究了碳纳米管和碳化硅纳米管的长度、直径和温度对热导率的影响.结果表明,无论是碳纳米管还是碳化硅纳米管,其长度、直径和温度对热导率的影响是一致的.只要长度增加,纳米管的热导率相应增大,但增长速率不断降低.直径对热导率的影响很大程度上还取决于温度,在高温时,直径对热导率几乎没有影响.除此之外,纳米管的热导率随着温度的增加总体上也是不断降低的,但峰值现象的出现还受纳米管长度的影响.     

不同温度下二氧化硅纳米管的结构和振动性质的分子动力学模拟

采用三种势能模型, 利用分子动力学模拟研究了在300～1600 K内4、6和8元环的二氧化硅纳米管. 结果表明,三种纳米管的末端环的稳定性随温度的升高而降低. 通过振动态密度考察了二氧化硅纳米管的有效振动特性. 以及不同温度下二氧化硅纳米管的红外光谱.     

界面旋转角对双晶镁力学性质影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,研究了在拉伸载荷下晶界对双晶镁变形机制的影响,对不同旋转角度的模型以及对称与非对称结构的模型进行了研究.模拟结果表明:应变加载方向与晶向所成角度对双晶镁塑形变形阶段的流动应力能够产生明显的影响;对称结构的双晶镁模型的塑性性质明显优于非对称结构模型.研究结果还发现,由于晶界区域不同的位错成核及发射等运动,大角度双晶模型的塑性响应明显优于对应小角度模型的塑性响应.     

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。     

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。     

碳纳米锥力学特性的分子动力学研究

结合原子间短程作用势(Brenner势)和长程作用势(Lennard-Jones势),利用分子动力学方法对各种锥角的碳纳米锥进行拉伸和压缩实验,获得其载荷-应变关系曲线、受拉/压载荷极限、应变极限和构形演变等力学特性,并与等量原子组成的碳纳米管进行比较研究.研究结果表明,等量碳原子组成的碳纳米锥的受拉/压载荷极限随着锥角的增大先是增大后减小,受拉/压应变极限则随着锥角的增大而增大.与碳纳米锥相比,等量碳原子组成的碳纳米管的受拉/压载荷极限和应变极限显得既不突出也不逊色.在受压构形演化方面,与碳纳米管丰富的径向屈曲/扭转/侧向屈曲组合形变不同,112.88°和83.62°锥角的碳纳米锥受压沿轴向完美内陷,而60.0°和38.94°锥角的碳纳米锥受压发生侧向屈曲.     

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.     

单壁碳纳米管在石墨基底上运动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究单壁碳纳米管在石墨基底上的运动.首先碳纳米管在基底弛豫至平衡状态，然后对其施加一固定外力，撤去外力后，碳纳米管在基底上逐渐减速至停止.为了研究管径、手性角对运动方式的影响，本文选择了C(10,10)，C(10,9)，C(10,8)，C(10,5)，C(10,0)，C(8,8)六种单壁碳纳米管进行模拟.结果表明，碳纳米管在石墨基底上的运动方式由手性角决定，与管径无关.手性角等于30°时，碳纳米管与石墨基底之间为公度结构，碳纳米管的运动出现周期性的滑动和翻滚现象；手性角大于28.3°小于30°时，碳纳米管一边向前滑动一边滚动；手性角小于26.3°时，碳纳米管在基底上滑动.碳纳米管的手性角决定了它与石墨基底接触界面的微观构型，从而决定了碳纳米管的运动方式. 关键词： 分子动力学模拟 碳纳米管 动能 结构公度性     

Investigation of mechanical properties of twin gold crystal nanowires under uniaxial load by molecular dynamics method

Twin gold crystal nanowires, whose loading direction is parallel to the twin boundary orientation, are simulated.We calculate the nanowires under tensile or compressive loads, different length nanowires, and different twin boundary nanowires respectively. The Young modulus of nanowires under compressive load is about twice that under tensile load.The compressive properties of twin gold nanowires are superior to their tensile properties. For different length nanowires,there is a critical value of length with respect to the mechanical properties. When the length of nanowire is greater than the critical value, its mechanical properties are sensitive to length. The twin boundary spacing hardly affects the mechanical properties.     

Mechanical property and deformation mechanism of gold nanowire with non-uniform distribution of twinned boundaries:A molecular dynamics simulation study

The mechanical property and deformation mechanism of twinned gold nanowire with non-uniform distribution of twinned boundaries(TBs) are studied by the molecular dynamics(MD) method. It is found that the twin boundary spacing(TBS) has a great effect on the strength and plasticity of the nanowires with uniform distribution of TBs. And the strength enhances with the decrease of TBS, while its plasticity declines. For the nanowires with non-uniform distribution of TBs, the differences in distribution among different TBSs have little effect on the Young's modulus or strength, and the compromise in strength appears. But the differences have a remarkable effect on the plasticity of twinned gold nanowire. The twinned gold nanowire with higher local symmetry ratio has better plasticity. The initial dislocations always form in the largest TBS and the fracture always appears at or near the twin boundaries adjacent to the smallest TBS. Some simulation results are consistent with the experimental results.     

多壁碳纳米管外壁高温蒸发的分子动力学模拟

采用经典分子动力学（MD）方法,使用EDIP（environment-dependent interatomic potential)势描述C纳米管内C原子之间相互作用,对多壁C纳米管由于Stone-Wales缺陷引起外层管高温剥落蒸发现象进行了计算模拟.研究结果表明,高温下多壁C纳米管外层管Stone-Wales缺陷处C原子剧烈振动导致C—C键断裂形成悬键,并逐渐向四周扩散导致外层管剥落蒸发.利用Lindemann指数作为判据,得出多壁C纳米管外层管出现剥落蒸发的温度为2290 K左右,与Huang Jianyu等实验中观测到多壁C纳米管外层管剥落蒸发现象产生的温度2000 ℃基本一致. 关键词： 多壁C纳米管 分子动力学 Stone-Wales缺陷 剥落蒸发     

Molecular dynamics simulations on the melting of gold nanoparticles

Molecular dynamics is employed to study the melting of bulk gold and gold nanoparticles. PCFF, Sutton-Chen and COMPASS force fields are adopted to study the melting point of bulk gold and we find out that the Sutton-Chen force field is the most accurate model in predicting the melting point of bulk gold. Consequently, the Sutton-Chen force field is applied to study the melting points of spherical gold nanoparticles with different diameters. Variations of diffusion coefficient, potential energy and translational order parameter with temperature are analyzed. The simulated melting points of gold nanoparticles are between 615～1115 K, which are much lower than that of bulk gold (1336 K). As the diameter of gold nanoparticle drops, the melting point also descends. The melting mechanism is also analyzed for gold nanoparticles.