纳米金原子团簇熔点的分子动力学模拟研究

论文摘要

超音速冷喷涂是一种新型的表面涂层制备方法,具有诸多优点,得到了国内外学者的广泛关注。然而冷喷涂技术作为一个新兴技术,其理论尚不完善,喷涂质量和效率尚待提高,尽管其特点适合于纳米粒子喷涂,但尚未在工程中加以实现。冷喷涂是指喷涂粒子在没有熔化的情况下附着在基体表面,在用分子动力学方法模拟表面沉积时,与粒子数有密切关系的喷涂粒子的熔点至关重要。因此,用分子动力学模拟方法来探讨微观状态下纳米金团簇的熔点,具有十分重要的学术价值和工程应用背景。本文采用分子动力学方法模拟了纳米金团簇的熔化过程,分别采用了径向分布函数法、势能温度法、均方位移法和键对分析法,对模拟的结果进行了深入分析。对四种分析方法的比较发现,径向分布函数法能明显得出团簇由有序向无序转变的趋势,但不能准确得出其熔点;势能-温度法基于团簇原子间距在熔点附近会发生阶跃变化这一微观原理,能够较准确给出团簇熔点;均方位移法是通过计算所有原子间均方距离的变化而得出熔点,能够较准确给出一个熔点的范围;键对分析法是根据团簇从固态向液态转变过程中,其微观构型会发生较大变化这一原理得出团簇熔点。本文研究的几种方法中,势能-温度法、均方位移法和键对分析法得出的金团簇熔点与理论计算值都能够较好吻合。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 纳米科技
• 1.1.1 什么是纳米科技
• 1.1.2 纳米科技的意义
• 1.1.3 纳米材料及特性
• 1.2 熔化理论及金属熔化的研究现状
• 1.3 气固两相介质音速研究
• 1.4 本课题研究的目的和意义
• 1.5 本文研究内容
• 2 分子动力学模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 分子动力学基本思想
• 2.3 分子动力学模拟的基本步骤
• 2.3.1 确定研究对象
• 2.3.2 建立位能模型
• 2.3.3 建立分子运动方程
• 2.3.4 确定初始条件
• 2.3.5 确定边界条件
• 2.3.6 位能截断
• 2.4 分子动力学模拟的系综
• 2.4.1 平衡系综的分类
• 2.4.2 平衡系综温度控制方法
• 2.5 模拟中应用的各种算法
• 2.5.1 Verlet 算法
• 2.5.2 Velocity-verlet 算法
• 2.5.3 Leap-frog 算法
• 2.5.4 Beeman 算法
• 2.5.5 Gear 算法
• 2.5.6 Rahman 算法
• 2.6 原子间的作用势
• 2.6.1 多体势
• 2.6.2 Johnson 的分析型EAM 模型
• 2.6.3 EAM 模型的修正
• 2.6.4 修正的普适分析型EAM 模型
• 2.6.5 F.Ercolessi 的GLUE 模型
• 2.6.6 Au 的GLUE 势函数
• 2.6.7 时间步长
• 2.7 本章小结
• 3 纳米金团簇熔点的分子动力学模拟
• 3.1 引言
• 3.2 熔化基本原理及熔点分析技术
• 3.2.1 熔化基本原理
• 3.2.2 熔点分析技术
• 3.3 金原子团簇熔点的理论计算
• 3.4 模拟方法与步骤
• 3.5 模拟结果分析
• 3.5.1 不同原子数下模拟结果
• 3.5.2 不同模拟分析方法的比较
• 3.5.3 结论
• 3.6 本章小结
• 4 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士期间发表的论文目录