基于分子动力学的α-SiO2晶体力学性能

采用分子动力学方法, 结合Tersoff势函数, 模拟α-SiO₂晶体在应变加载下的力学性能, 并考察温度对α-SiO₂力学性能的影响. 结果表明: α-SiO₂在常温加载过程中经历了弹性变形、 塑性变形及断裂变形3个阶段, 获得的屈服强度为22.6 GPa, 断裂强度为36 GPa； 在塑性变形阶段观察到α-SiO₂从晶相向非晶转化的相变过程; 随着温度的升高, α-SiO₂的屈服强度和弹性模量逐渐降低； 温度越高断裂应力和断裂应变越低, α-SiO₂晶体在高温单轴加载下易出现断裂.     

水化硅酸钙力学性能分子动力学模拟方法对比研究

对水化硅酸钙凝胶(C-S-H)的力学性能分子动力学模拟方法进行了对比研究。以Tobermorite和Jennite晶体作为CS-H纳观结构的模型,建立3倍晶胞分别在COMPASS、COMPASS II两种力场下进行分子动力学模拟,得到纳观结构的力学性能。然后根据Powers和Jennings水化模型,引用自融洽(SC)和Mori-Tanka均匀化方法考虑孔隙率因素,计算C-S-H凝胶的力学性能。研究发现,COMPASS力场对C-S-H力学性能的模拟更好;SC方法计算的结果更为接近试验值;Tobermorite 11和Jennite结构模型在力学性能模拟方面更准确;Jennings水化模型与原子模拟研究技术结合较好。     

手性石墨烯薄膜拉伸力学性能分子动力学研究

基于分子动力学方法,用Tersoff势函数描述碳原子性质,研究了手性取向对石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响。通过构建不同手性的石墨烯薄膜模型,在周期性边界条件下采用NVT系综,以变形方式分别对不同手性的石墨烯薄膜施加均匀应变,模拟了拉伸变形条件下手性石墨烯薄膜的破坏过程,得到了相应的应力-应变关系以及拉伸破坏形态。结果表明,不同的手性取向对石墨烯薄膜的杨氏模量影响不明显,拉伸强度随着手性角度的增大先迅速减小再逐渐增大,其拉伸极限应变随着手性角度的增大整体呈减小趋势。     

重离子辐照下石墨烯力学性能的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了不同剂量的碳离子辐照石墨烯产生损伤后对其拉伸力学性能的影响, 包括应力?应变曲线、杨氏模量以及拉伸强度等。入射离子能量为1 keV, 入射剂量分别为2.00×10¹³, 6.01×10¹³, 1.00×10¹⁴ and 2.00×10¹⁴cm^-2。结果表明, 离子辐照后产生了单空位缺陷、双空位缺陷及复杂缺陷等, 这些缺陷对石墨烯的力学性能产生了显著影响, 如剂量为2.00×10¹³cm^-2时, 石墨烯中只存在两个单空位缺陷, 但与完美石墨烯相比, 杨氏模量却从780.19 GPa减小到128.77 GPa, 拉伸强度也从161.81 GPa变为30.85 GPa, 并且缺陷个数越多, 力学性能越差。另外, 对辐照导致样品变形以及断裂的物理机制也进行了讨论。     

基于分子动力学模拟的含缺陷石墨烯力学性能的研究

基于分子动力学模拟的方法,研究了空位缺陷的位置、形状以及原子缺失率对石墨烯杨氏模量的影响。研究结果表明,单空位缺陷的位置对石墨烯杨氏模量有一定的影响,当施加应力方向与边缘缺陷的截面方向相同时,边缘缺陷比中间缺陷使得石墨烯的杨氏模量下降更少。研究结果还发现,映射横向长条状缺陷、映射纵向长条状缺陷、映射圆孔状缺陷和随机缺陷都使得石墨烯杨氏模量随着原子缺失率的增大而减小。对于映射圆孔状缺陷和随机缺陷,锯齿型石墨烯杨氏模量减小的幅度与扶手型的减小幅度相差不大。对于映射横向长条状缺陷和映射纵向长条状缺陷,锯齿型和扶手型石墨烯杨氏模量的减小幅度相差较大,这与石墨烯的手性矢量方向和条状缺陷方向是否一致有关。     

纳米多晶镍钨合金力学性能的分子动力学研究

为了研究钨原子分数与平均晶粒尺寸对镍钨合金纳米多晶力学性能的影响,本文运用分子动力学方法在10 K与300 K时对镍钨合金纳米多晶模型进行拉伸与剪切模拟,计算分析了不同钨原子分数(0%、5%、10%、15%、20%)的镍钨合金的抗拉强度、延伸率与抗剪切性能等力学性能,进一步研究了不同晶粒尺寸(2.4 nm、1.9 nm、1.5 nm)对镍钨合金多晶力学性能的影响。结果表明,当镍钨合金纳米多晶中钨原子分数为0%时,在10 K或者300 K时,平均晶粒尺寸小的镍钨合金纳米多晶抗拉强度大,但是抗剪切强度反而小;当镍钨合金纳米多晶中钨原子分数在0%～20%之间时,随着钨元素含量的增加,抗拉强度与抗剪强度也逐渐增大;当镍钨合金纳米多晶中钨原子分数在0%～15%之间时,温度为10 K或者300 K时,平均晶粒尺寸为1.5 nm的镍钨合金纳米多晶的延伸率大于平均晶粒尺寸为1.9 nm或者2.4 nm的镍钨合金纳米多晶的延伸率。     

重离子辐照下石墨烯力学性能的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了不同剂量的碳离子辐照石墨烯产生损伤后对其拉伸力学性能的影响,包括应力应变曲线、杨氏模量以及拉伸强度等。入射离子能量为1 keV,入射剂量分别为2.00×1013,6.01×1013,1.00×1014和2.00×1014cm 2。结果表明,离子辐照后产生了单空位缺陷、双空位缺陷及复杂缺陷等,这些缺陷对石墨烯的力学性能产生了显著影响,如剂量为2.00×1013cm 2时,石墨烯中只存在两个单空位缺陷,但与完美石墨烯相比,杨氏模量却从780.19 GPa减小到128.77 GPa,拉伸强度也从161.81 GPa变为30.85 GPa,并且缺陷个数越多,力学性能越差。另外,对辐照导致样品变形以及断裂的物理机制也进行了讨论。     

Fe-C合金动态拉伸力学性能温度和应变率效应分子动力学

爆炸冲击荷载作用下温度和应变率对钢材动态力学性能的影响一直备受关注。Fe-C合金体系是钢材的基本组成部分,本文以Fe-C合金为基本研究对象,采用分子动力学方法模拟九种温度和四种应变率条件下Fe-C合金的单轴动态拉伸过程。结果表明：在所研究的温度和应变率范围内,Fe-C合金弹性模量对于应变率变化不敏感,对于温度变化非常敏感,随着温度的升高,弹性模量明显减小;相同温度条件下,屈服强度和峰值应变随应变率的增大而增大;相同应变率条件下,屈服强度和峰值应变随温度的升高而减小;温度和应变率对屈服强度的影响不具有相关性。基于分子动力学模拟,建立的纳米尺度下Fe-C合金动态拉伸力学性能计算公式能反映温度和应变率效应的共同影响,为钢材在爆炸冲击作用下动态拉伸力学性能描述提供依据。     

HNS/EP 35 PBXs力学性能的分子动力学模拟

本文应用分子动力学(MD)模拟方法, 研究耐热炸药六硝基茋(HNS)与常用高聚物粘结剂三元乙丙橡胶(EP 35型)所构成的HNS/EP 35高聚物粘结炸药(PBXs)的力学性能随温度和高聚物浓度而变化的规律. 结果表明, 添加高聚物于主体炸药中, 拉伸模量和剪切模量减小, 表明刚性减小, 弹性增大; 为考察温度对力学性能的影响及机理, 在298K~550K范围完成对HNS/EP 35 PBX的MD模拟. 力学分析表明, 随温度增加HNS/EP 35的弹性模量呈抛物线变化规律, 归因于EP 35分子链的运动及其构象随温度的变化.     

Mg2Si热电材料力学性能的分子动力学模拟研究:纳孔效应

在热电材料里引入纳孔能有效降低材料的热导率从而提高其热电性能,但纳米孔洞的引入也可能影响材料的力学性能。以圆柱孔理想单晶Mg_2Si块体热电材料为研究对象,建立不同孔径、孔隙率以及分布形式的纳孔Mg_2Si材料的原子模型,采用分子动力学模拟方法研究不同模型下材料的拉伸力学性能。结果表明:①纳孔的引入造成Mg_2Si热电材料的极限应力和弹性模量的降低,而纳孔孔隙率、分布形式都会影响到材料的极限应力,而材料的弹性模量主要与孔隙率有关,孔隙率越大,材料的弹性模量越低;②纳孔的引入不仅减小材料的有效荷载面积,更重要的是造成材料内部应力分布不均匀,而材料所能承受的拉伸方向的应力极限是一定的,因而当纳孔Mg_2Si热电材料平均应力远小于完整块体的极限应力时,材料内部最薄弱的地方的应力就已达到其极限应力,造成材料的破坏。     

分子动力学模拟三乙烯二胺准晶体的可控晶体生长

由于三乙烯二胺结晶均匀度和大小不一,且传统结晶工艺不可控,严重影响了其使用性能,且制约了后续产品的研发.采用分子动力学模拟,研究了三乙烯二胺在温度253～413 K下的准晶生长.通过研究准晶的势能、分子排布、密度、扩散系数、径向分布函数和N—N原子的取向性来表征影响效果.模拟结果表明:三乙烯二胺准晶体随着温度的升高,总...     

晶体镍中氦泡生长的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟了面心立方金属镍中氦泡的膨胀和融合过程。通过原子分布示意图、径向分布函数等方面的分析研究发现,在温度较低时,随时间的演化,原相隔五层镍原子的两氦泡逐渐聚拢,同时周围出现大量空位、间隙原子、位错等缺陷结构;两氦泡最终连为一体,氦泡周围的镍原子构成一菱形位错区域。温度较高时,两氦泡融合速度加快,融合区域增大,这对于研究材料中的杂质、缺陷、孔洞、裂纹的扩展、贯通机理具有重要意思。     

脉冲激光烧蚀氩晶体颗粒的分子动力学模拟

采用分子动力学方法对氩晶体颗粒在皮秒脉冲激光照射下内部发生的传热过程以及相变现象进行模拟研究.通过记录氩原子速度和原子位置随时间的变化情况分析了颗粒内热量的传递过程,并计算了单位体积内氩原子数目的空间分布情况以及随时间的变化规律,从而分析了颗粒内部的相变过程.研究结果表明:当激光强度较低时,晶体内部仅仅发生传热过程而没有熔化发生,加入的激光能量随时间由外向内传递;当激光强度增加到足够晶体熔化的时候会发生相变,此时固液相态之间并没有明显的界面,而是存在一个纳米级别的过渡区域;当照射的激光强度增加时,过渡区域的移动速度和移动深度都将增加.     

SiO2体系的分子动力学研究

基于多体项展式理论方法导出的SiO2分子基态(～X1Α1 )的分析势能函数,用准经典的 Monte-Carlo轨线法对Si (3Pg) + OO′ (～X3Σ -g) 和O (1Dg) + SiO′(～X1Σ + )体系的分子反应动力学过程进行了计算.结果表明Si (3Pg) + OO′ (～X3Σ-g)体系生成络合物是一个阈能比较小的反应,而生成离解产物则是一个有比较大的阈能反应,其阈能值约为200 kJ·mol-1, 说明主要以生成络合物为主;O (1Dg) + SiO′ (AX～U1Σ + )体系没有络合物生成,生成离解产物O (1Dg)+ SiO′ (AX～U1Σ + )→O + O′ + Si的反应截面比非反应碰撞产物O (1Dg) + SiO′ (AX～U1Σ + )→Si + OO′的反应截面要大约两个数量级,在低能区是有阈能的反应,其阈能值约为120 kJ·mol-1.     

纳米铜单晶拉伸力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟了绝对零度时三种不同边界条件下纳米铜单晶的拉伸力学性能。计算结果发现：不同边界约束对钢单晶的内在原子运动和整体力学行为有明显影响;纳米杆、纳米薄膜良好的延性主要来源于位错运动;铜单晶块体的破坏源于内部孔洞的发展,破坏时延性较差;此外,纳米杆、纳米薄膜存在较大的表面张力。     

氩单原子嵌入晶体过程的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术研究氩单原子嵌入基体时发生的变形过程，揭示了基体温度、嵌入速度对界面法向力、材料变形行为的影响。模拟结果表明L－J固体中位错运动的方向与宏观塑性流动相一致，压缩屈服强度随着基体温度的增加和嵌入速度的减小而降低。     

TiO2多晶结构的分子动力学研究

采用在经典离子晶体作用势中附加莫尔斯势,并进行必要量子化修正,对ＴｉＯ２的金红石、锐钛矿和板钛矿型晶体结构随温度、压力的变化特性进行分子动力学模拟计算,获得了比以往更为精确的模拟结果,并对高温高压下的结构特性做出了预测性计算模拟．     

Σ3和Σ5晶界对Ni3Al力学性能影响的原子模拟

应用分子动力学的方法研究了纳米合金Ni₃Al加入∑3和∑5晶界后在单轴加载下的力学性能。研究结果表明：Ni₃Al合金中加入∑3和∑5晶界后使Ni₃Al合金的应力-应变曲线发生了改变,导致合金的屈服应力和屈服应变降低,但是弹性模量的数据显示∑3晶界对Ni₃Al合金的机械强度具有强化作用,∑5晶界对Ni₃Al合金机械强度产生弱化现象。通过对微观机理分析得到Ni₃Al-∑3和Ni₃Al-∑5的主要的塑性变形都是滑移带,∑3和∑5中的产生滑移带比Ni₃Al优先形成,其中∑3中的产生的大量交叉滑移带比∑5中的长滑移带更能有效地抵制外载引起的结构损伤,起到了强化作用。     

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.