单层二硫化钼力学性能温度和手性效应的分子动力学模拟

针对文献中单层二硫化钼力学性能随温度变化趋势的不明确,本文基于Stillinger-Weber原子间势函数,采用经典分子动力学方法对单层二硫化钼在不同热力学温度下(1—800 K)的力学行为进行了单轴拉伸模拟,研究温度和手性对其力学性能的影响.结果表明:单层二硫化钼的杨氏模量、抗拉强度、拉伸极限应变等力学性能均随温度的升高而显著减小;单层二硫化钼的杨氏模量和抗拉强度存在明显的手性效应,而不同手性方向的拉伸极限应变差别不大,可以忽略;温度低于800 K时,不同手性二硫化钼断裂之前受拉加载和卸载均没有明显的相变发生;温度在1 K时,沿锯齿方向受拉的单层二硫化钼在极限强度附近会有明显的局部相变发生,且卸载时相变结构能保持稳定.本文也测量出单层二硫化钼在温度1—800 K下沿扶手和锯齿方向的线膨胀系数.     

单轴拉伸下氧化锆纳米柱相变机理的分子动力学研究

通过分子动力学模拟,观察到[001]取向的四方氧化锆纳米柱在拉伸载荷下具有两个线弹性变形的应力-应变关系.这一现象是四方结构向单斜结构相变的结果 .为了进一步阐明应力-应变曲线,进行了包括晶体结构分析和原子应变计算在内的详细研究.晶格取向强烈影响塑性变形机制,即[001]和[111]取向的纳米柱在拉伸载荷下经历相变,而沿[110]取向的纳米柱导致脆性断裂.观察到显著的温度效应,随着温度从300K升高到1500K,弹性模量从573.45GPa线性降低到482.65GPa.此外,还用轻推弹性带(NEB)理论估算了相变能垒,观察到相变能垒随温度的升高而降低.这一工作将有助于加深对氧化锆的四方相到单斜相转变和纳米尺度力学行为的理解.     

第一性原理方法研究He掺杂Al晶界力学性质

基于密度泛函理论方法,本文开展了氦掺杂AlΣ3((111)/180°)晶界数值模拟拉伸试验.计算结果表明,He在晶界中最低杂质形成能为2.942 eV,偏析到晶界的偏析能为0.085 eV;在拉伸条件下,清洁Σ3晶界的理论拉伸强度为9.65 GPa,拉伸断裂从晶界界面开始;而He掺杂后,晶界的理论拉伸强度下降到7.14 GPa,在断裂发生前应力曲线中出现平台效应,拉伸断裂从包含He杂质的界面开始.通过对比键长和电荷密度分布,本文认为He的满壳层电子结构一方面导致了He与Al之间 关键词： He 晶界 第一性原理计算 力学性质     

含扭转晶界位错Al金属拉伸强度第一性原理预测

本文基于密度泛函理论第一原理方法,从影响力学性能本质的电子结构计算上,对含Σ 5{001}扭转晶界位错Al金属拉伸强度进行了预测,发现其理论拉伸强度达到8.73 GPa,临界应变为 24%.拉伸强度低于文献报道(Phys. Rev. B 75, 174101 (2007))的倾斜晶界位错Al金属的理论拉伸强度9.5 GPa,但其临界应变却远大于倾斜晶界的16%.本研究结果表明,通过工艺参数控制,改变缺陷形态,可极大地改变其力学性能.进一步地,从电子结构层次上, 分析了含晶界位错Al金属拉伸断裂行为的实质,通过分析电荷密度分布、键长变化等,发现其断裂处发生在晶界处;理论计算结果将对Al金属结构设计及力学性能改善具有重要的指导作用.     

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     

多晶石墨烯拉伸断裂行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了不同晶界对石墨烯拉伸力学特性及断裂行为的影响. 定义了表征晶界能量特性的新参量缺陷能, 并以此为基础分析了晶界结构的能量特性. 探讨了晶界对弹性模量和强度极限等的影响以及强度对晶界能量特性的依赖关系. 结果表明: 晶界能量特性可以间接反映晶界强度; 同时, 晶界中缺陷会使实际承载碳键数量小于名义承载碳键数, 从而在较大范围内影响弹性模量. 分析了不同晶界的断裂过程, 发现了裂纹扩展方向的强度依赖性: 低强度晶界主要是以碳键直接断裂为主要方式的沿晶断裂, 而高强度晶界通常是碳键直接断裂和Stone-Wales翻转过程交替进行下的穿晶断裂. 研究结果可为石墨烯器件的设计制造提供理论指导.     

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.     

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     

堆垛层错和温度对纳米多晶镁变形机理的影响

本文采用分子动力学模拟方法研究了在拉伸载荷下,堆垛层错和温度对纳米多晶镁力学性能的影响,在模拟中,采用嵌入原子势描述镁原子之间的相互作用．计算结果表明：在纳米晶粒中引入堆垛层错能明显增强纳米多晶镁的屈服应力,但堆垛层错对纳米多晶镁杨氏模量的影响很小;温度为300．0K时,孪晶在晶粒交界附近形成,孪晶随着拉伸应变的增加而逐渐生长．当拉伸应变达到0．087时,一种基面与X—Y面成大约35°角且内部包含堆垛层错的新晶粒成核并快速增长．也就是说,孪晶和新晶粒的形成和繁殖是含堆垛层错的纳米多晶镁在300．0K温度下的主要变形机理．模拟结果也显示,当温度为10．0K时,位错的成核和滑移是含堆垛层错的纳米多晶镁拉伸变形的主要形式．     

纳米Ni在77 K温度下压缩行为的研究

利用低温力学测试系统研究了电化学沉积纳米Ni在77 K温度下的压缩行为. 室温下纳米Ni 的屈服强度为 2.0 GPa, 77 K温度下的屈服强度为3.0 GPa, 压缩变形量则由室温的10%左右下降到5%. 借助应变速率敏感指数、激活体积、扫描电子显微和高分辨透射电子显微分析, 对纳米Ni的塑性变形机制进行了表征. 研究表明, 在77 K温度下的塑性变形主要是由晶界-位错协调变形主导, 晶界本征位错弓出后无阻碍地在晶粒内无位错区运动, 直至在相对晶界发生类似切割林位错行为. 同时分析了弓出位错的残留位错部分在协调塑性变形时起到的增加应变相容性和减小应力集中的作用. 利用晶界-位错协调机制和残留位错运动与温度及缺陷的相关性揭示了纳米Ni室温和77 K温度压缩性能差异的内在原因. 关键词： 塑性变形 强度 位错     

含有不同硫族元素原子比例的单层MoSSe电化学Pourbaix相图

MoSSe材料是一种非常有前途的光电材料,它的应用环境会接触到水溶液,但目前尚未有关MoSSe材料在水溶液中电化学稳定性的研究.本文基于密度泛函理论构建不同钼、硫和硒元素原子比例的单层MoSSe的Pourbaix图,研究在不同pH和电极电位条件下的热力学稳定性和电化学腐蚀行为.对MoSSe的Pourbaix图研究表明,一部分MoSSe的免蚀区域存在于Pourbaix图中水的稳定区域内,说明MoSSe在水环境中可以稳定存在;相比较碱性溶液来说,MoSSe在酸性和中性溶液中的耐腐蚀性更好.对Mo₄S₂Se₆,Mo₄S₆Se₂,Mo₄S₇Se和Mo₄SSe₇的Pourbaix图研究表明,在不同钼、硫和硒元素原子比例的单层MoSSe中硫的物质的量浓度较高的情况下,材料在水溶液中可以稳定存在的条件范围变大,耐腐蚀性变好;在不同钼、硫和硒元素原子比例的单层MoSSe中硒的物质的量浓...     

碲镉汞红外焦平面探测器封装用4J36 合金深低温力学性能研究

为了提高碲镉汞红外焦平面探测器封装结构的可靠性, 获得组件材料的深低温力学性能十分重要. 4J36合金具有极低的膨胀系数且材料焊接性能较好, 广泛应用于封装结构中的冷平台部分. 本文在300 K~4.2 K 温度区间内对4J36 合金进行了热力学性能试验, 获得了材料随温度变化的动态热力学参数; 在300 K、77 K、4.2 K 温度下对4J36 试件进行了拉伸试验, 获得了相应的工程应力应变曲线和力学性能参数; 通过扫描电镜对断口形貌进行了微观结构分析, 获得了4J36 合金拉伸断口微观组织和性能的变化规律. 试验结果表明4J36 材料在300 K ~4.2 K 温度范围内平均线膨胀系数为2.08×10-6/K, 从300 K 到77 K,4J36 合金的比热容随温度降低而减小; 在300 K~4.2 K 温度区间内, 随温度降低, 合金的抗拉强度和屈服强度显著提高, 而弹性模量断后伸长率降低; 由拉伸断口宏观和微观形貌看出在300 K、77 K 和4.2 K 下4J36 合金拉伸试件的断裂模式均为韧性断裂. 试验研究结果将对4J36 合金在红外焦平面探测器组件的低温应用方面提供试验依据.     

孔洞对FeCrNiCoCu高熵合金拉伸性能影响的分子动力学研究

孔洞是FeCrNiCoCu高熵合金在制备过程中常见的缺陷,为此本文利用分子动力学模拟方法构建含孔洞的FeCrNiCoCu模型进行单轴拉伸模拟,探究了孔洞位置、孔洞半径和变形温度对其力学性能的影响.研究发现,在Z轴晶向为[111]的晶体中和晶界处的孔洞会显著降低模型的屈服应变和屈服强度,但对模型的杨氏模量影响不大.随着晶界处孔洞半径的增大,在弹性阶段,孔洞半径增大使应力集中面积增大,有利于位错形核,模型的力学性能随之降低.在塑性变形阶段,随着孔洞半径的增大,初始位错更倾向于向Z轴晶向为[001]的晶体中扩展.在中、低温条件下(T<800K),模型保持良好的力学性能;在高温条件下,力学性能显著降低.在高温塑性变形阶段,模型中的总位错线长度较低,平均流变应力也较低.     

手性环状碳纳米管的电子结构及磁化特性

基于石墨平面π电子的紧束缚模型,导出了手性(chiral)环状碳纳米管(TCNTs)在磁场中的电子结构,从而对TCNTs量子特性和磁化规律进行了较深入研究.第Ⅰ,Ⅱ类TCNTs在磁场中存在金属—半导体的连续转变.计算分析表明:在T=0K时,第Ⅰ,Ⅱ类TCNTs的磁化强度随磁通量Φ呈线性周期性变化(以磁通量子Φ₀=h/e为周期),并且磁化强度对手性角θ、管口半径r,以及温度T极为敏感,但与环半径R无关.手性TCNTs的磁化强度比椅形或锯齿形TCNTs的磁化强度强很多;而第Ⅲ类TCNTs 关键词： 手性环状碳纳米管 电子结构 磁化特性     

新系列超导相TlBaCan-1CunO2n+2.5(n=2,3)的晶体结构和超导电性

本文用粉末烧结法合成了Tl-Ba-Ca-Cu-O体系TlBa₂Ca_n-1Cu_nO_2n+2.5新系列超导相,用粉末衍射法测定了n=2和3的晶体结构,属简单四方单胞,空间群为D_4h¹-P4/mmm,点阵常数a相同,而c值不同,随n值而增大。a=3.847?,c分别为12.73?和15.89?,每单胞含一个化合式单位,阳离子沿四方晶系的(0,0,z)和(1/2,1/2,z)位置交替排列,排列的顺序相同,n=3比n=2依次多增加Ca和Cu及相应的氧离子。TlBa₂Ca_nCu_nO_2n+2.5,n=3时,零电阻超导转变温度T_c(0)=112K;n=2时,T_c(0)=101K,与Tl₂Ba₂Ca_n-1Cu_nO_2n+4型体心四方晶胞超导相不同,TlBa₂Ca_n-1Ca_nO_2n+2.5结构中缺氧类钙钛矿型结构单元[Ba₂Ca_n-1Cu_nO_2n+1]仅被TI-O单层所隔开,当n相同时,Tl-O双隔层的体心四方单胞比Tl-O单层的简单四方单胞的超导转变温度高10K左右,这说明Tl-Ba-Ca-Cu-O体系中超导相的转变温度不仅与类钙钛矿结构单元的[CuO₄]和[CuO₅]的数目有关,而且与Tl-O的隔层数目有关。 关键词：     

单层石墨烯杨氏模量的理论模型

石墨烯力学性能的研究对其在半导体技术中的应用是十分重要的,本文基于半连续体模型并结合石墨烯纳米结构特性,通过对原子的描述构建了石墨烯形变分量和位移分量的新关系,从而给出了单层石墨烯结构形变能,并计算了不同尺寸单层石墨烯的杨氏模量值.通过对不同方向杨氏模量的分析,讨论了单层石墨烯的手性行为.结果表明:随着尺寸的增加,单层石墨烯两个方向的杨氏模量分别趋于0.746 TPa和0.743 TPa,当尺寸相同时,两方向杨氏模量的最大差值不超过0.003 TPa,此结果与文献报道结果相符.在小应变情况下,单层石墨烯薄膜呈各向同性,且薄膜尺寸变化对该特性影响不大.该计算结果对研究石墨烯的其它力学特性提供一定的参考价值.     

新系列超导相TlBaCa_(n-1)Cu_nO_(2n 2.5)(n=2,3)的晶体结构和超导电性

本文用粉末烧结法合成了Tl-Ba-Ca-Cu-O体系TlBa_2Ca_(n-1)Cu_nO_(2n 2.5)新系列超导相,用粉末衍射法测定了n=2和3的晶体结构,属简单四方单胞,空间群为D_(4h)~1-P4/mmm,点阵常数a相同,而c值不同,随n值而增大。a=3.847,c分别为12.73和15.89,每单胞含一个化合式单位,阳离子沿四方晶系的(0,0,z)和(1/2,1/2,z)位置交替排列,排列的顺序相同,n=3比n=2依次多增加Ca和Cu及相应的氧离子。 TlBa_iCa_()Cu_O_(2n 2.5),n=3时,零电阻超导转变温度T_c(0)= 112K;n=2时,T_c(0)=101K,与Tl_2Ba_2Ca_()Cu_O_(2n 4)型体心四方晶胞超导相不同,TlBa_2Ca_(n-1)Ca_O_(2n 2.3)结构中缺氧类钙钛矿型结构单元[Ba_2Ca_(n-1)Cu_nO_(2n 1)]仅被TI-O单层所隔开,当n相同时,Tl-O双隔层的体心四方单胞比Tl-O单层的简单四方单胞的超导转变温度高10K左右,这说明Tl-Ba-Ca-Cu-O体系中超导相的转变温度不仅与类钙钛矿结构单元的[CuO_4]和[CuO_5]的数目有关,而且与Tl-O的隔层数目有关。     

含圆孔纳米薄膜在拉伸加载下变形机理的原子级模拟研究

采用分子静力学方法结合量子修正的 Sutton-Chen多体势研究了含圆孔的纳米薄膜在单向加载过程中的力学行为,并采用共近邻分析方法研究了薄膜的微结构演化过程.模拟结果表明：孔洞的引入显著地降低了纳米薄膜的杨氏模量和屈服应力;在拉伸过程中,孔洞的形状随着应变的增加逐渐由圆形变为椭圆形,最终孔洞闭合;纳米薄膜在进入塑性变形阶段后,薄膜内部出现原子的堆跺层错,这种层错结构的出现是肖克莱不全位错在薄膜内部沿着{111}面的［112］方向运动的结果. 关键词： 纳米薄膜 力学性质 位错 分子静力学     

不同温度条件下单层石墨烯纳米带弛豫性能的分子动力学研究

分别采用Tersoff-Brenner势和AIREBO势,对三种长宽比的单层石墨烯纳米带在不同热力学温度(0.01—4000 K)下的弛豫性能进行了分子动力学模拟.对基于两种势函数模拟的石墨烯纳米带弛豫的能量曲线和表面形貌进行了分析对比,研究了石墨烯纳米带在弛豫过程中的动态平衡过程.模拟结果表明:单层石墨烯纳米带并非完美的平面结构,边缘处和内部都会呈现一定程度的起伏和皱褶,这与已有的实验结果相符合;石墨烯纳米带的表面起伏程度随长宽比的减小而减小,并且在不同温度条件下,系统动能对石墨烯纳米带的弛豫变形的影响很大,即系统温度越高,石墨烯纳米带的弛豫变形幅度愈大;高长宽比纳米带在一定温度条件下甚至会出现卷曲现象.最后,对采用Tersoff-Brenner势和AIREBO势进行石墨烯的分子动力学模拟进行了深入分析.     

第一性原理研究压力对Fe2B的结构、机械性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了0～30 GPa压力下四方相Fe₂B的结构,稳定性和力学性质等.随着压力的增加,计算得到的晶格参数逐渐减小,所有结构均满足热力学稳定性,体积模量和剪切模量逐渐增大,韧性得到有效改善.硬度呈现先增大后减小的趋势,并在18 GPa压力时达到最大值,各向异性先增大后减小.德拜温度变化趋势与杨氏模量的变化趋势相同.同时还研究了相变结构——正交相的相关性质,结果表明其结构满足热力学稳定性但不满足力学稳定性,是否稳定存在还需要进行后续实验研究.