基于分子动力学的纳米压痕形变过程模拟

采用分子动力学方法模拟了金刚石压头压入Fe基体的纳米压痕全过程．研究了加载和卸载时基体的原子组态、载荷一位移曲线以及位错的发射和变化．分析了基体的塑性形变机理．发现压人深度为0．69nm时出现位错．随压入深度的增加位错长大成环,基体塑性形变加剧．卸载过程中位错环不断减小,当压头恢复到起始位置后,基体中心残留有位错环,产生了永久塑性形变,位错环的存在是基体产生永久塑性形变的关键因素．     

石墨烯纳米压痕实验的分子动力学模拟

我们基于分子动力学(Molecular Dynamics), 建立了石墨烯纳米压痕实验的数值模型, 以模拟压痕实验过程, 得到典型实验过程的力-位移曲线, 并进而讨论压头下压速度, 压头半径以及边界条件等因素对实验结果的影响. 论文测得石墨烯弹性模量为1 TPa, 强度为240 GPa. 加载过程中, 压头加载到临界压入深度hc时, 石墨烯试件在压头处撕裂破坏. 给定最大压入深度, 对石墨烯进行加载—卸载—再加载试验, 发现当最大压入深度h_max小于h_c时, 石墨烯发生的是完全弹性变形; 当最大压入深度h_max大于h_c时, 卸载和再加载过程中石墨烯能基本恢复原貌, 但仍有少数C—C键较长而无法恢复, 成为石墨烯再加载时的破坏起点, 石墨烯的破坏力和位移都显著下降. 另外, 还发现大于0.05 nm/ps的压头速度和压头半径对石墨烯临界压入深度和破坏力都有显著影响.     

纳米磨削过程中分子动力学计算机仿真实验

采用分子动力学方法,建立磨粒和工件的原子模型,从分子和原子空间角度观察微量磨削过程的磨削能量消耗、应力状态、磨削力和磨削温度等,并解释了微观材料去除和表面形成机理。研究表明：晶格重构原子与一部分非昌层原子堆积在磨粒的前上方。由于磨粒不断前移最终形成磨屑而实现材料去除;由于磨粒不断前移,处在磨粒前下方面的非晶层原子在压应力的作用下与已加工表面层断裂的原子键结合重构形成已加工表面变质层;变质层由内外两     

室温下单晶硅显微压痕表面位错组态的TEM观察

采用透射电镜 (TEM )定位观察了室温单晶硅显微压痕表面的微观信息 .发现了为数不少的位错圈、堆垛层错、扩展位错及压杆位错、位错偶等多种组态 .尽管产生的原因各异 ,但均为最终的低能稳定组态 .位错的存在和运动表明常温下单晶硅的压痕缺口附近产生塑性变形 .     

单晶硅纳米切削过程中微沟槽结构金刚石刀具切削性能的分子动力学模拟

基于分子动力学,利用LAMMPS和OVITO软件对单晶硅纳米切削过程进行模拟,研究了V形微沟槽结构对金刚石刀具切削性能的影响。结果表明,在金刚石刀具后刀面构建一定深度的V形微沟槽能够减少工件亚表面损伤,同时也对工件加工质量及刀具抗磨损性能产生了明显影响,当微沟槽深度为0.75 nm时,金刚石刀具切削性能最佳。     

FeCoCrNiCu高熵合金纳米压痕力学响应的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟建立FeCoCrNiCu高熵合金纳米压痕模型,从杨氏模量、位错行为等方面对FeCoCrNiCu高熵合金进行相关力学性能分析。研究分析了纳米压痕过程中温度和加载速度对合金基体变形的影响。经模拟以及数据拟合发现,杨氏模量与实验结果近似一致;纳米压痕过程依次经历弹性-塑性阶段,进入塑性阶段后基体内部产生位错,随着压头的不断深入,位错不断形核扩展最终成环;由于高熵合金复杂的元素组成以及应变梯度效应,剪切应变在合金体内的分布是不均匀的。加载速度对弹性阶段影响不大,但会对位错的增长产生影响,临界塑性压深也会随加载速度的增大而增大;温度对高熵合金的变形有着显著影响,温度升高会使原子运动加剧,基体易于变形。低温下压痕力明显上升,这是由于低温本身会降低原子迁移率,同时也利于孪晶产生,使基体进一步强化。     

单晶Cu在纳米压痕过程中的微观破坏机制

单晶Cu由于各向异性,最大剪切应力场的计算与宏观连续体弹性理论有出入,主要表现在纳米压痕过程中最大剪切应力的位置并不在压头的正下方,而且与位错产生的位置也不一致,通过位错的运动规律,发现材料的破坏不仅存在于压头的正下方,而且在压头周围的亚表层也存在大量位错,圆形压头使基体的应力分布并不是简单的单向拉伸或压缩,而是存在剪切应力场,致使模拟结果是尺寸相关的。     

单晶硅微观力学性能研究

本文介绍了在纳米硬度计上进行的单晶硅微压痕测试实验及结果分析,以对单晶硅的微观力学性能有所认识。微压痕测试表明：单晶硅的弹性模量在压入载荷小于2400μN的范围内随载荷变化而波动变化：而在压入哉荷大于2400μN后保持相对的稳定值（约为214GPa）;单晶硅的表面硬度在压入栽荷小于1000μN的范围内随载荷变化而线性增大,而后突然降低并保持相对的稳定值（135GPa-15GPa）;单晶硅在纳米压入过程中,材料的破坏形式为脆性破裂,并且随压入载荷的增大而在压痕边沿产生堆积,堆积程度亦逐渐增大。     

GaAs纳米颗粒快速熔化过程的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟1×1011K/s熔速下理想闪锌矿结构GaAs纳米颗粒(NPs)快速熔化过程中的微观结构演变,并采用径向分布函数、平均原子势能、平均配位数和可视化等方法对熔化过程中的微观结构变化进行分析。结果表明,高温下As容易以As蒸汽形式脱离体系;GaAs NPs依赖晶格极化、变形来减少过高的表面势能;由于颗粒不同位置上原子的势能大不相同,导致各区域熔化所需外界提供能量大小有所差异,GaAs NPs呈现出阶段性、区域性的熔化现象; GaAs NPs中部分闪锌矿结构的极化扭曲导致体系中纤锌矿结构形成。     

基于多尺度仿真方法的单晶铝纳米切削过程研究

分子动力学切削仿真方法所能模拟的原子数量有限.为了扩大切削仿真规模,该文采用分子动力学与有限元相结合的方法,在QC(Quasicontinuum)方法程序内核的基础上,结合纳米切削仿真的特点,编制出纳米切削多尺度仿真程序.用该程序进行了单晶铝纳米切削过程的多尺度仿真,进而分析了刀具角度对切削过程的影响.仿真结果验证了纳米切削多尺度仿真的可行性.     

纳米粒子介电泳的分子动力学模拟

为研究微流体环境下纳米粒子的介电泳现象并分析其介电泳特性,采用非平衡态分子动力学方法对纳米胶体粒子及其周围溶剂粒子进行建模.介电泳模拟之前,通过对系统能量和温度的趋衡过程进行模拟,使纳米胶体所处的微流体系统达到稳定状态,并得出系统能量以及温度变化过程的趋衡图.对纳米胶体模型施加非均匀电场,使胶体电偶极化.变化非均匀电场强度,研究胶体模型失效的一般规律.发现随着非均匀电场强度的增加,小离子有不断脱离大离子表面的趋势,胶体模型失效的临界电场强度参数为Eo=15s/(eó).此外,对不同极性的纳米胶体的介电泳现象进行模拟,发现在正介电泳情况下,胶体的电偶极距不断增大,且电偶极距大的胶体有较大的介电泳速度和位移.     

水溶液中石墨烯剥离的分子动力学模拟

通过分子动力学模拟方法研究柔性石墨烯在水溶液中剥离的热力学机制。为了表征石墨烯与水溶剂之间的相互作用,研究了石墨烯周围水溶剂的结构性质;通过施加外力的方法剥离石墨模型中最外层的石墨烯,计算剥离过程中体系自由能的变化,并对剥离过程中微观结构变化以及石墨烯周围水溶剂结构性质进行分析。结果表明:石墨烯与水之间的相互作用较小;剥离石墨烯需要克服一定的能垒;石墨烯之间的相互作用决定了自由能能垒的大小,溶剂诱导的贡献对剥离起到促进作用;受限区域内的水溶剂分子对剥离起到重要的作用。     

Molecular dynamics simulation of microcrack healing in aluminium

The molecular dynamics method is used to simulate microcrack healing during heating or under compressive stress. A center microcrack in an Al crystal could be sealed under a critical compressive stress or by heating it over a critical temperature. During microcrack healing, dislocation and vacancy are generated and moved, and sometimes twin appears. The critical temperature necessary for microcrack healing depends upon the orientation of the crack plane. For example, the critical temperature of the crack along the ( 111 ) plane is the lowest. When there are pre-existing dislocations around the microcrack, the critical temperature necessary for microcrack healing will decrease. The energy condition for crack healing is б2π a ( 1-v2 ) / E + UT/ A ≥ 2 γ + γp, where б is the applied compressive stress, a the length of the crack, γ the Poisson' s ratio, E the Young' s modulus, UT heat energy driving crack healing, A the area of the crack, γ the surface energy, and γp the plastic deformation work. Pre-existing dislocations can reduce γp.     

Molecular dynamics simulation of a single polymer in hydrophilic nano-slits

The behavior of a single polyethylene polymer in aqueous solution confined between two hydrophilic walls is studied with molecular dynamics （MD） simulations. The thickness of the nano-slit ranges from 1.26 to 3.15 nm, which is comparative to the polymer dimension. A monotonic transition from 3D- to 2D-like configurations is observed as the distance between the two walls narrows. Monomers are compressed into several layers and the preferred bond orientations alternate between parallel and normal to the walls accordingly. The diffusivity in the direction parallel to the wall is always larger than the one perpendicular to it. Calculation of the entropy and enthalpy changes during the folding of the polymer chain alone cannot explain the spontaneous process. The corresponding increase in water entropy due to volume expansion may be large enough to result in the overall free energy decrease.     

吸附诱导表面应力的分子动力学模拟

应用分子动力学方法结合镶嵌原子势,模拟研究了同质吸附Cu/Cu(100)和异质吸附Al/Ni(100)纳米薄膜中的吸附诱导表面应力.结果表明吸附原子对表面应力的影响主要源于两种原子间的相互作用;吸附原子和底物表面原子的结合将导致底物表面原子之间的化学键的强度减弱和平衡键长增加,从而导致表面压应力增加;吸附原子之间的相互作用也导致表面应力的变化,吸附原子间的吸引作用导致表面拉应力,而排斥作用导致表面压应力.这两种原子间相互作用所引起的表面应力与吸附原子的密度密切相关,吸附原子与底物表面原子的结合所引起的表面应力的大小与吸附原子的密度成线性关系,而吸附原子间的相互作用所引起的表面应力与吸附原子密度间呈非单调的依赖关系.     

硅纳米线热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了硅纳米线的热传导性能,并对其主要影响因素作了分析.模拟结果表明:在相同的温度区间(800~1 500 K)内截面形状为正方形的纳米线的导热系数要比体态硅小2个量级,且随着温度的上升,导热系数随之下降;当模拟温度固定时,导热系数随着纳米线长度的增加而增加,并趋于一个收敛值;同时当纳米线的截面面积增加时,导热系数也随之增加;当纳米线表面存在缺陷时,其热传导系数小于无缺陷纳米线的值.     

硅团簇拉伸/压缩性能的分子动力学模拟

采用基于Stillinger-Weber(SW)势的分子动力学方法模拟了Si13团簇温度T分别为300K,50 K,5 K下的拉伸/压缩过程,得出了Si13团簇拉伸/压缩的力与应变的曲线图,讨论了不同温度下Si13拉伸/压缩的力学特性以及拉伸与压缩特性的差异。研究表明,拉伸/压缩初始阶段力与应变呈线性关系,拉伸时温度越高受力越大,压缩时正好相反,而且同等应变下拉伸时的力明显高于压缩时的力;当拉伸应变达到承载极限,继续拉伸,力突然变得很小,随后力与应变又呈现出与初始阶段相同的线性关系,这是团簇所特有的现象。     

液态Cu等温凝固的分子动力学模拟

使用Tight-binding势函数,对液态Cu在等温凝固过程中的结构变化进行了分子动力学模拟(MD模拟)计算,得到体系在不同温度下的双体分布函数和配位数分布等静态结构信息,对等温凝固过程中FCC短程有序结构可能发生的变化以及由此导致的H-A键型变化进行了分析,并结合键对分析方法计算了不同弛豫时间下典型短程有序结构的分布. 计算表明,在Cu凝固结晶相变过程中1551键应是先向1541键转化,初始三维结构的形成可能主要依赖于Cu原子在两个方向上的扩散和弛豫.     

Molecular dynamics simulation of RNA pseudoknot unfolding pathway

Many biological functions of RNA molecules are related to their pseudoknot structures. It is significant for predicting the structure and function of RNA that learning about the stability and the process of RNA pseudoknot folding and unfolding. The structural features of mouse mammary tumor virus (MMTV) RNA pseudoknot in different ion concentration, the unfolding process of the RNA pseudoknot, and the two hairpin helices that constitute the RNA pseudoknot were studied with all atom molecule dynamics simulation method in this paper. We found that the higher cation concentration can cause structure of the RNA molecules more stable, and ions played an indispensable role in keeping the structure of RNA molecules stable; the unfolding process of hairpin structure was corresponding to the antiprocess of its folding process. The main pathway of pseudoknot unfolding was that the inner base pair opened first, and then, the two helices, which formed the RNA pseudoknot opened decussately, while the folding pathway of the RNA pseudoknot was a helix folding after formation of the other helix. Therefore, the unfolding process of RNA pseudoknot is different from the antiprocess of its folding process, and the unfolding process of each helix in the RNA pseudoknot is similar to the hairpin structure’s unfolding process, which means that both are the unzipping process.     

纳米尺度下对黏滑现象的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法研究了硅针尖在金刚石基底滑动的黏滑现象,讨论了纳米尺度下温度、滑动速度、载荷等因素对黏滑摩擦的影响.模拟结果表明,在纳米尺度下,原子排列规则的两固体间的滑动摩擦力呈现出周期性的锯齿型变化.摩擦力曲线的波动周期取决于滑动过程中基体沿滑动方向的晶格常数,同时受接触面原子排列结构变化的影响.在较低温度范围内,滑动摩擦力随温度的升高近似呈线性减小,对滑动摩擦力的波动周期和振幅影响不大.在一定速度范围内,滑动摩擦力主要受黏着作用的影响,滑动摩擦力的大小随速度的增大近似呈线性增大.在一定载荷范围内,滑动摩擦力随载荷的增大近似呈线性增大,振动周期变大.