冲击作用下金属表面微喷射的分子动力学模拟

利用二维分子动力学程序,结合类紧束缚杂化多体势,研究冲击载荷下金属表面包含沟槽型缺陷的微喷射动力学过程.在产生微喷射以后,结果表明材料内部传播着两种波系:反射稀疏波和二次加载压缩波,其中,反射稀疏波波面与沟槽形状相似,而二次压缩波波面随沟槽夹角的变化而变化;并形成了两个压强区:负压区和正压区,负压区的存在表明材料中可能产生微损伤.同时,统计结果表明微喷射体的速度随沟槽半角增加而增加的趋势,微喷射体的粒子数随沟槽半角增大而减少的趋势,当沟槽半角大于60°,微喷射效应消失.以上计算结果可以定性说明射流是沟槽型 关键词： 冲击波 沟槽型缺陷 微喷射 分子动力学     

单晶Cu冲击加载及卸载下塑性行为的微观模拟

使用分子动力学方法对室温下单晶铜沿［001］和［111］方向冲击加载及卸载下的塑性行为进行了模拟,得到了Hugoniot关系以及冲击熔化压力,与实验基本符合. 加载过程中,较高的初始温度有利于位错的形核与发展. 通过对冲击波在自由表面卸载过程的模拟和分析发现：卸载过程呈现“准弹性卸载行为”;沿［001］方向卸载后大量不全位错环与堆积层错消失,而沿［111］方向卸载后只有少量层错消失,部分层错甚至会发展扩大. 关键词： 分子动力学 冲击波 塑性     

低能Cl原子刻蚀Si(100)表面的分子动力学模拟

使用分子动力学模拟方法研究了不同能量(0.3—10 eV)的Cl原子对表面温度为300 K的Si(100)表面的刻蚀过程.模拟中采用了Tersoff-Brenner势能函数来描述Cl-Si体系的相互作用.模拟结果显示,随着入射Cl原子在表面的吸附达到饱和,Si表面形成一层富Cl反应层.这和实验结果是一致的.反应层厚度随入射能量增加而增加.反应层中主要化合物类型为SiCl,且主要分布于反应层底部.模拟结果发现随初始入射能量的增加,Si的刻蚀率增大.在入射能量为0.3,1和5 eV时,主要的Si刻蚀产物为Si 关键词： 分子动力学 Cl刻蚀Si 分子动力学模拟 微电子机械系统     

熔融Cu55团簇在Cu(010)表面上凝固过程的分子动力学模拟

采用基于嵌入原子方法的分子动力学,模拟了熔融Cu55团簇在Cu衬底(010)表面上以两个不同降温速率降温过程中结构的变化.模拟结果表明,降温速率对团簇结构的变化有很大影响.较快的降温速率使得降温过程中团簇原子具有较低的能量;较慢的降温速率有助于高温时位于衬底内的原子向衬底表面扩散,排列形成面心立方结构.     

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.     

纳米结构泡沫金冲击响应的分子动力学模拟

采用分子动力学计算程序对纳米结构泡沫金(Au)的冲击响应进行了模拟,得到了不同疏松度条件下泡沫Au的冲击压缩特性。通过获取不同势函数条件下实密Au的冲击Hugoniot关系以及泡沫结构稳定性测试选取适合描述Au泡沫冲击过程中原子的相互作用势。采用密堆积球壳的方式建立泡沫Au的初始构型。通过改变空心球壳的尺寸得到不同疏松度的稳定的泡沫Au结构。对泡沫Au的冲击过程进行分子动力学模拟,获得了不同疏松度泡沫Au在不同冲击压缩强度下的热力学状态参数。将模拟结果与已有的状态方程数据库以及疏松物质冲击压缩模型进行比较,结果表明,计算和理论模型给出的结果仍然存在明显的差异性,亟需通过进一步实验研究来验证模拟计算和理论模型结果的可靠性。     

Molecular dynamics simulations of phase transition of n-nonadecane under high pressure

The phase transition behavior of n-nonadecane under high pressure was investigated with molecular dynamics (MD) simulations method. A simplified model with amorphous structure and periodic boundary conditions in constant-temperature, constant-pressure ensemble was used in this study. The results showed that the whirling and molecules motion of n-nonadecane chains were restrained by the high pressure. The simulated phase transition temperature of n-nonadecane under high pressure is higher than that under atmospheric pressure. The order parameter of n-nonadecane decreases with the increase in temperature. The simulations reveal that MD is an effective method to understand the phase transition of alkane-based phase change materials on molecular and atomic scale.     

Molecular dynamics simulations of compressed hydrogen

Abstract

Molecular dynamics simulations have been performed for highly compressed fluid hydrogen in the density and temperature regime of recent shock-compression experiments. Both density functional and tight-binding electronic structure techniques have been used to describe interatomic forces. Two tight-binding models of hydrogen have been developed with a single s-type orbital on each atom that reproduce properties of the dimer, of various crystalline structures, and of the fluid. The simulations indicate that the rapid rise in the electrical conductivity observed in the gas-gun experiments depends critically on the dissociated atoms (monomers). We find that the internal structure of warm, dense hydrogen has a pronounced time-dependent nature with the continual dissociation of molecules (dimers) and association of atoms (monomers). Finally, Hugoniots derived from the equations-of-state of these models do not exhibit the large compressions predicted by the recent laser experiments.     

低温下Cu13团簇负载于Cu(001)表面上结构变化的分子动力学研究

应用分子动力学方法研究温度为10和50 K时具有二十面体结构的Cu13团簇以不同接触条件与Cu(001)表面结合后的结构变化,原子间的相互作用势采用Johnson的嵌入原子方法模型.通过基于原子密度分布函数的分析表明,负载团簇与表面的结合能主要受团簇与载体相接触的最低层原子数及这些原子所具有的不同几何构型影响,同时更高层的原子呈现出不同的几何结构.温度为10 K时,负载团簇的初始位置对团簇几何结构和结合能影响较大.     

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.     

Molecular dynamics simulations of one-dimensional Lennard-Jones systems

One-dimensional Lennard-Jones systems are investigated by molecular dynamics simulations. The full Lennard-Jones potential is compared to the repulsive Lennard-Jones potential. It is found that the pair correlation function and the normalized velocity autocorrelation function agree at high densities and high temperature. However, the diffusion coefficient indicates that the attractive potential introduces additional correlations into particle dynamics which are not reflected in the statics. These results are in agreement with three-dimensional studies.     

应变效应对金属Cu表面熔化影响的分子动力学模拟

采用Mishin镶嵌原子势，通过分子动力学方法模拟了金属Cu 的(110)表面在不同应变下的熔 化行为，分析了表面熔化过程中系统结构组态和能量的变化以及固液界面迁移情况.金属Cu 的(110)表面在低于热力学熔点的温度下发生预熔化，准液体层的厚度随温度升高而增加.当 温度高于热力学熔点时，固液界面的移动速度与温度成正比，外推得到热力学熔点为1380K ，与实验结果1358K吻合良好.应变效应（包括拉伸和压缩）导致热力学熔点降低，并促进表 面预熔化进程.在相同温度条件下，准液体层的厚度随应变绝对值的增加而增大.应变效应导 致的固相自由能增加是金属Cu(110)表面热稳定性下降的主要因素，且表面应力和应变方向 的异同也会影响表面预熔化的进程. 关键词： 表面预熔化 热力学熔点 表面应力 分子动力学     

纳米Cu颗粒等温晶化过程的分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法和镶嵌原子势,模拟了500个Cu原子(简称Cu₅₀₀) 组成的纳米颗粒的等温晶化过程.利用修正的均方位移、键对分析技术和内在结构(IS) 等方法对该过程中的结构和动力学行为进行分析研究.结果显示:与块体金属不同的是, Cu₅₀₀纳米颗粒在某一温度保温时,其晶化时间并不是一个定值, 而是存在一个统计分布,并且保温温度越低其晶化时间的分布范围越广, 最长晶化时间越长.在低温晶化时, Cu₅₀₀经历了一系列中间构型的转变才达到晶态, 表现出多步晶化的特征.文章作者研究了颗粒的初始构型对晶化进程的影响, 发现颗粒的初始结构特征和能量状态对其随后的晶化过程有着重要的影响, 同一温度下,颗粒初始构型的IS能量越低其晶化时间越长,这一点在低温时尤其明显.     

冲击加载下孔洞贯通的微观机理研究

利用分子动力学方法计算模拟了沿〈100〉晶向冲击加载下单晶铜中双孔洞的贯通过程.发现孔洞周围发射剪切型位错环是孔洞塌缩和增长的原因.在拉伸阶段,孔洞首先分别独立增长,随后其周围塑性变形区开始交叠和相互作用,最后两个孔洞开始直接贯通.这种贯通模式和实验对延性材料中孔洞贯通过程的显微观察结果一致.对四种不同θ值（θ为两个孔洞中心连线与冲击加载方向之间的夹角）的模型分别进行了计算模拟,发现在相同的冲击加载强度下,θ＝0°和θ＝30°的孔洞之间没有相互贯通; 关键词： 纳米孔洞 分子动力学 冲击加载 贯通     

低能Pt原子团簇沉积过程的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟系统研究了低能Pt38,Pt141和Pt266原子团簇与Pt(001)表面的相互作用过程,详细分析了初始原子平均动能为0.1,1.0和10eV的原子团簇的沉积演化过程及其对基体表面形貌的影响.研究表明,初始原子平均动能是描述低能原子团簇的重要参量.当团簇的平均原子动能较低时,团簇对基体表层原子点阵损伤较小,基本属于沉积团簇;随着入射团簇的原子平均动能的增加,团簇对表层原子点阵结构的破坏能力增强,当团簇的原子平均动能增加到10eV时,团簇已经显现出注入特征.低能原子团簇对基体表面形貌的影响 关键词： 分子动力学模拟 低能原子团簇 载能沉积     

熔融Cu55团簇在Cu(010)表面上凝固过程的分子动力学模拟

采用基于嵌入原子方法的分子动力学,模拟了熔融Cu₅₅团簇在Cu衬底（010）表面上以两个不同降温速率降温过程中结构的变化.模拟结果表明,降温速率对团簇结构的变化有很大影响.较快的降温速率使得降温过程中团簇原子具有较低的能量;较慢的降温速率有助于高温时位于衬底内的原子向衬底表面扩散,排列形成面心立方结构. 关键词： 团簇 凝固 分子动力学 表面     

Molecular dynamics simulations of AOT reverse micelles' self-assembly

Formation of reverse micelles in the water–hexane–AOT system has been investigated by molecular dynamics simulations. In order to optimize calculation strategy, the starting spatial disposition of components was assumed to be random. Such an approach was found to provide a lower dependence of final results on initial conditions as compared to the calculations using pre-assembled reverse micelles as a starting geometry. The calculated structural parameters of reverse micelles (such as their shape, size, and distribution of components) were found to agree with the available experimental data.     

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     

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 study of thermal stress and heat propagation in tungsten under thermal shock

Using molecular dynamics （MD） simulation, we study the thermal shock behavior of tungsten （W）, which has been used for the plasma facing material （PFM） of tokamaks. The thermo-elastic stress wave, corresponding to the collective displacement of atoms, is analyzed with the Lagrangian atomic stress method, of which the reliability is also analyzed. The stress wave velocity corresponds to the speed of sound in the material, which is not dependent on the thermal shock energy. The peak pressure of a normal stress wave increases with the increase of thermal shock energy. We analyze the temperature evolution of the thermal shock region according to the Fourier transformation. It can be seen that the “obvious” velocity of heat propagation is less than the velocity of the stress wave; further, that the thermo-elastic stress wave may contribute little to the transport of kinetic energy. The heat propagation can be described properly by the heat conduction equation. These results may be useful for understanding the process of the thermal shock of tungsten.