纳米多晶铜微观结构的分子动力学模拟

基于EAM镶嵌原子势函数,采用分子动力学模拟了零温下纳米多晶铜的微观结构.首先用Voronoi几何方法构造了5个纳米多晶铜数值模型,在300K弛豫50ps并退火至0K.然后分析零温下弛豫模型的径向分布函数、原子能量、配位数、原子Voronoi体积、以及本征应力分布 关键词： 纳米多晶铜 微观结构 分子动力学     

纳米多晶铜中冲击波阵面的分子动力学研究

冲击波阵面反映材料在冲击压缩下的弹塑性变形行为以及屈服强度、应变率条件等宏观量, 还与冲击压缩后的强度变化联系. 本文使用分子动力学方法, 模拟研究了冲击压缩下纳米多晶铜中的动态塑性变形过程, 考察了冲击波阵面和弹塑性机理对晶界存在的依赖, 并与纳米多晶铝的冲击压缩进行了比较. 研究发现: 相比晶界对纳米多晶铝的贡献而言, 纳米多晶铜中晶界对冲击波阵面宽度的影响较小; 并且其塑性变形机理主要以不全位错的发射和传播为主, 很少观察到全位错和形变孪晶的出现. 模拟还发现纳米多晶铜的冲击波阵面宽度随着冲击应力的增加而减小, 并得到了冲击波阵面宽度与冲击应力之间的定量反比关系, 该定量关系与他人纳米多晶铜模拟结果相近, 而与粗晶铜的冲击压缩实验结果相差较大.     

纳米多晶铁的冲击相变研究

利用分子动力学方法研究了不同晶粒度的纳米多晶铁在冲击压缩下的结构相变过程,模拟结果表明:纳米多晶铁的冲击结构相变(由体心立方(bcc)结构 α 相到六角密排(hcp)结构 ε 相)发生的临界冲击应力在15 GPa左右.纳米多晶铁在经过弹性压缩变形后,晶界导致的塑性变形开始发生,然后大多数相变从晶界成核并最终发展为大规模相变.不同变形过程在应力和粒子速度剖面上能得到清晰的体现,并通过微观原子结构分析分辨.冲击压缩后的微观结构以晶界原子和以fcc结构原子充当孪晶界的hcp原子为主.晶粒度明显影响晶界变形及相变 关键词： 冲击相变 纳米多晶铁 冲击波 分子动力学     

金属纳米棒弯曲力学行为的分子动力学模拟

纳米结构的力学性能是纳米超微型器件设计的基础,分子动力学是研究纳米结构力学行为的有效方法.本文采用镶嵌原子方法模拟金属铜纳米棒的弯曲力学行为.计算结果表明由于尺寸效应和表面效应的影响,在纳观尺度下纳米结构表现出与宏观尺度下完全不同的力学特征.金属纳米棒弯曲力学过程分为初始变形迟滞阶段、线弹性变形阶段和塑性变形阶段.塑性变形阶段表现出“刚化”、“台阶”和较强的延性等特征. 关键词： 纳米结构 纳米棒 弯曲性能 分子动力学     

纳米通道滑移流动的分子动力学模拟研究

本文采用非平衡分子动力学方法对平板纳米通道滑移流动进行了非平衡分子动力学模拟,获得了不同壁面势能和不同温度时流体的速度分布及密度分布。研究结果表明滑移速度在很大程度上决定于流体温度和壁面吸引力作用强度的大小。由于不同壁面吸引力时流体的密度分布受温度的影响规律不同,使得不同壁面吸引力时流体的滑移速度受温度影响规律也不一致。而且,流体结构受壁面流速的影响要受到壁面势能的制约。     

晶粒尺寸对掺氦纳米多晶铁机械性能影响的分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法研究了晶粒尺寸对掺氦纳米多晶铁机械性能的影响.在拉伸形变过程中,纳米多晶铁将产生裂纹与晶格畸变,通过模拟XRD谱探索二者之间的联系.拉伸模拟结果显示,由于晶界氦原子的引入,峰值应力将显著减小.另外,在拉伸模拟中观察到,沿晶裂纹的产生与长大随着晶界氦原子的引入而增强.研究结果表明,晶界氦原子能够促进沿晶...     

聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚乙烯/银纳米颗粒复合物的结构、极化率和红外光谱、热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和银颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明: 聚乙烯/银纳米颗粒复合物为各向同性的无定形结构, 温度升高可提高银纳米颗粒的分散均匀性; 银纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 并在银颗粒和聚乙烯基体的界面形成电极化层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加; 与聚乙烯体系相比, 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的极化率高很多, 且随温度的升高和银颗粒尺寸的减小而增大; 银颗粒尺寸直接影响界面电偶极矩的强度和振动频率, 红外光谱峰强度和峰位随颗粒尺寸发生变化; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数, 热容随颗粒尺寸的变化较小, 但随温度的升高而明显减小, 具有显著的温度效应; 热压力系数随温度的变化较小, 但随颗粒尺寸的增加而减小, 具有明显的尺度效应, 温度稳定性更好; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚乙烯体系更高的杨氏模量和泊松比, 并且都随温度的升高和银颗粒尺寸的增大而减小, 加入银纳米颗粒可有效改善聚乙烯的力学性质. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 纳米颗粒     

分形结构纳米复合材料热导率的分子动力学模拟研究

提出了一基于Sierpinski分形结构的Si/Ge纳米复合材料结构,以调控纳米复合材料的热导率.采用非平衡分子动力学方法模拟研究了分形结构Si/Ge纳米复合材料的导热性能,给出了硅原子百分比、轴向长度以及截面尺寸对分形结构纳米复合材料热导率的影响规律,并与传统矩形结构进行了对比.研究结果表明,分形结构纳米复合材料增强了Si/Ge界面散射作用,使得热导率低于传统矩形结构,这为提高材料的热电效率提供了有效途径.Si原子百分比、截面尺寸、轴向长度皆对分形结构纳米复合材料热导率存在着重要影响.纳米复合材料热导率随着Si原子百分比的增加呈先减小后增加的趋势,随轴向长度的增加则呈单调增大趋势.     

铝纳米颗粒的热物性及相变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了纳米金属铝在粒径为0.8-3.2 nm 时的熔点、密度和声子热导率的变化, 研究了粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、比热和声子热导率随温度的变化. 采用原子嵌入势较好地模拟了纳米金属铝的热物性及相变行为, 根据能量-温度曲线和比热容-温度曲线对铝纳米颗粒的相变温度进行了研究, 并利用表面能理论、尺寸效应理论对铝纳米颗粒熔点的变化进行了分析. 随着纳米粒径的不断增大, 铝纳米颗粒的熔点呈递增状态, 当粒径在2.2-3.2 nm时, 熔点的增幅减缓, 但仍处于递增趋势. 随着纳米粒径的增大, 铝纳米颗粒的密度呈单调递减, 热导率则呈线性单调递增, 且热导率的变化情况符合声子理论. 随着温度的升高, 粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、热导率均减小. 该模拟从微观原子角度对纳米材料的热物性进行了研究, 对设计基于铝纳米颗粒的相变材料具有指导意义.     

聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的形态结构、 热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和纳米颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明, 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物为各向同性的无定形态结构, 铜纳米颗粒与聚酰亚胺基体之间通过较强的范德华作用结合在一起使结构更加稳定, 铜纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 在铜颗粒和聚酰亚胺基体之间形成界面层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的等容热容随着颗粒尺寸增大而明显增高, 随温度变化比聚酰亚胺体系更为缓慢, 在较低温度下较小颗粒尺寸复合物的热容比聚酰亚胺体系更低. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的热压力系数随颗粒尺寸增加而显著增大, 比聚酰亚胺体系的热压力系数更小, 且随温度升高而减小的程度要小得多. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的热力学性质表现出明显的尺度效应, 温度稳定性明显高于聚酰亚胺体系. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚酰亚胺体系更低的杨氏模量和泊松比, 随温度升高分别减小和增大, 与聚酰亚胺体系随温度的变化趋势相反, 且杨氏模量的温度稳定性显著提高, 同时泊松比随纳米颗粒尺寸增大而减小, 具有明显的尺度效应. 加入铜纳米颗粒形成复合物可获得与聚酰亚胺体系显著不同的力学新特性. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 聚酰亚胺 纳米颗粒     

Effect of stress state on deformation and fracture of nanocrystalline copper:Molecular dynamics simulation

Deformation in a microcomponent is often constrained by surrounding joined material making the component under mixed loading and multiple stress states. In this study, molecular dynamics(MD) simulation are conducted to probe the effect of stress states on the deformation and fracture of nanocrystalline Cu. Tensile strain is applied on a Cu single crystal,bicrystal and polycrystal respectively, under two different tension boundary conditions. Simulations are first conducted on the bicrystal and polycrystal models without lattice imperfection. The results reveal that, compared with the performance of simulation models under free boundary condition, the transverse stress caused by the constrained boundary condition leads to a much higher tensile stress and can severely limit the plastic deformation, which in return promotes cleavage fracture in the model. Simulations are then performed on Cu single crystal and polycrystal with an initial crack. Under constrained boundary condition, the crack tip propagates rapidly in the single crystal in a cleavage manner while the crack becomes blunting and extends along the grain boundaries in the polycrystal. Under free boundary condition, massive dislocation activities dominate the deformation mechanisms and the crack plays a little role in both single crystals and polycrystals.     

Pt(111)表面低能溅射现象的分子动力学模拟

利用嵌入原子方法的原子间相互作用势，通过分子动力学模拟，详细研究了贵金属原子在Pt (111)表面的低能溅射现象.模拟结果显示：对于垂直入射情况，入射原子的质量对Pt (11 1)表面的溅射阈值影响不大.当入射原子的能量小于溅射阈值时，入射原子基本以沉积为主 ；当入射原子的能量大于溅射阈值时，溅射产额随入射原子能量的增加而线性增大；当入射 原子能量达到200 eV时，各种入射原子的溅射产额都达到或接近1，此时入射原子主要起溅 射作用.溅射原子发射的角分布概率和溅射花样与高能溅射相类似.研究表明：与基于二体碰 撞近似的线性级联溅射理论不同，当入射原子能量大于溅射阈值时，低能入射原子的溅射产 额正比于入射原子的约化能量和入射原子与基体原子的质量比.通过对低能入射原子的钉扎 能力分析，提出了支配低能溅射的入射原子反射物理机理. 关键词： 分子动力学模拟、低能溅射     

Thermodynamic properties of noble metal clusters:molecular dynamics simulation

The thermodynamics properties of noble metal clusters Au_N, Ag_N, Cu_N, and Pt_N (N = 80, 106, 140, 180, 216, 256, 312, 360, 408, 500, 628, 736, and 864) are simulated by micro-canonical molecular dynamics simulation technique. The potential energy and heat capacities change with temperature are obtained. The results reveal that the phase transition temperature of big noble metal clusters (N ⩾ 312 for Au, 180 for Ag and Cu, and 360 for Pt) increases linearly with the atom number slowly and approaches gently to bulk crystals. This phenomenon indicates that clusters are intermediate between single atoms and molecules and bulk crystals. But for the small noble clusters, the phase transition temperature changes irregularly with the atom number due to surface effect. All noble metal clusters have negative heat capacity around the solid-liquid phase transition temperature, and hysteresis in the melting/freezing circle is derived in noble metal clusters.     

Study of the effects of grain size on the mechanical properties of nanocrystalline copper using molecular dynamics simulation with initial realistic samples

Abstract

Molecular dynamics simulations have been performed to study the mechanical properties of a columnar nanocrystalline copper with a mean grain size between 9.0 and 24 nm. A melting–cooling method has been used to generate the initial samples: this method produces realistic samples that contain defects inside the grains such as dislocations and vacancies. The results of uniaxial tensile tests applied to these samples reveal the presence of a critical mean grain size between 16 and 20 nm, for which there is an inversion of the conventional Hall–Petch relation. The principal mechanisms of deformation present in the samples correspond to a combination of dislocations and grain boundary sliding. In addition, this analysis shows the presence of sliding planes generated by the motion of perfect edge dislocations that are absorbed by grain boundaries. It is the initial defects present inside the grains that lead to this mechanism of deformation. An analysis of the atomic configurations further shows that nucleation and propagation of cracks are localised on the grain boundaries especially on the triple grains junctions.     

纳米铜团簇凝结规律的分子动力学研究

采用分子动力学方法对包含147，309和561个原子数的液态纳米铜团簇凝结过程进行模拟研 究，结果表明降温速率及团簇原子数对凝结得到常温下的固态团簇结构有重要影响：在模拟 时间内，降温速度越慢，团簇原子数越少，凝结得到铜团簇越倾向生成二十面体结构，反之 则倾向生成面心立方结构.同时探讨了该现象的物理机理. 关键词： 铜团簇 凝结 结构 分子动力学     

Al89La6Ni5非晶合金的第一性原理分子动力学模拟

采用第一性原理分子动力学（AIMD）方法模拟 Al89La6Ni5 合金的退火过程,结合双体相关函数和配位多面体（团簇）分布分析了体系短程有序结构随温度的演化. 结构分析表明,非晶态 Al89La6Ni5 原子短程有序结构近似密堆排列;在非晶形成过程中,Al 原子周围短程有序结构几乎没有发生变化,而 La 和 Ni 原子周围环境发生明显改变,由此推测,La 原子的加入改变了 Ni 原子周围的短程有序结构,因而增加了 Al-La-Ni 体系的非晶形成能力;Al 原子和 Ni 原子间存在 Al-Ni 共价键作用,电子态密度的计算说明,费米面附近 Al-p 和 Ni-d 之间电子的相互作用是 Al-Ni 原子间形成局域共价键的原因.     

Al89La6Ni5非晶合金的第一性原理分子动力学模拟

采用第一性原理分子动力学（ AIMD）方法模拟 Al89 La6 Ni5合金的退火过程,结合双体相关函数和配位多面体（团簇）分布分析了体系短程有序结构随温度的演化。结构分析表明,非晶态 Al89 La6 Ni5原子短程有序结构近似密堆排列;在非晶形成过程中,Al 原子周围短程有序结构几乎没有发生变化,而 La 和 Ni原子周围环境发生明显改变,由此推测,La 原子的加入改变了 Ni 原子周围的短程有序结构,因而增加了Al－La－Ni 体系的非晶形成能力;Al 原子和Ni原子间存在Al－Ni共价键作用,电子态密度的计算说明,费米面附近Al－p和Ni－d 之间电子的相互作用是Al－Ni原子间形成局域共价键的原因。     

金属Ni纳米线凝固行为的分子动力学模拟

采用EAM镶嵌原子作用势，通过经典的分子动力学模拟方法研究了不同冷却速度下的金属Ni纳米线的凝固行为，并给出了纳米线在凝固区域的结构演变过程.利用键对分析技术研究了在不同冷却速度下体系中的原子团簇在降温过程中的变化情况.研究表明，纳米线的凝固起始于表面原子，并且随着冷却速度的降低，Ni纳米线的微观结构从非晶态过渡到多壳螺旋结构，最终达到稳定的面心立方结构.多壳螺旋结构同时具有确定的结晶温度和长程无序、短程有序的非晶结构的特征. 关键词： 纳米线 凝固行为 分子动力学 键对分析