金纳米线拉伸力学性能的分子动力学模拟

论文摘要

纳米材料拥有优异的力学、电学、热学和磁学性能。随着纳米科技的快速发展,尤其是随着微电子元器件的发展,金属纳米线作为纳米材料的重要组成部分,引起了人们越来越多的关注。金属纳米线是构成纳米器件的重要元素。对金属纳米线力学性能的研究是纳米材料应用技术所面临的挑战之一；同时,对金属纳米线力学性能的研究对于保证微电子元器件的稳定性与可靠性具有重大意义和重要作用。分子动力学模拟是计算机模拟的一种方式,其适用范围非常广泛。本文运用分子动力学方法研究了金纳米线的截面尺寸、拉伸应变率、模拟温度对金纳米线拉伸力学性能的影响,重点分析了各种因素对金纳米线的屈服强度、弹性模量的影响。模拟中采用原子内嵌势作为原子势函数,采用Verlet算法求解牛顿运动方程。在金纳米线的拉伸过程中,金纳米线可能发生弹性形变也可能发生塑性形变。通过监控金纳米线拉伸过程中的应力与应变的变化,可以得到应力-应变曲线；通过对应力-应变曲线线性阶段的分析可以得到金纳米线的弹性模量；应力-应变曲线的最高点定义为屈服强度。在拉伸应变率相同、拉伸温度相同的情况下,共建立七个不同截面尺寸的金纳米线模型来探讨截面尺寸对金纳米线拉伸力学性能的影响。通过分析金纳米线的应力-应变曲线和屈服强度、弹性模量的变化规律,发现应力-应变曲线反映出金纳米线形变的不同阶段。应力-应变曲线的线性阶段对应于金纳米线拉伸过程中的弹性形变阶段；屈服点过后的应力-应变曲线对应于金纳米线拉伸过程中的塑性形变阶段。在塑性形变阶段,金纳米线出现大量的堆垛层错。屈服点过后,金纳米线应力急剧减小,之后在一定范围内呈波动趋势。金纳米线截面尺寸越小,屈服点对应的应变越大,金纳米线发生屈服的时间越晚。这主要是因为截面尺寸较小的金纳米线有更大的比表面积,表面原子比例较大。对相同长度的金纳米线而言,其弹性模量随着金纳米线截面尺寸的减小而减小；屈服强度随金纳米线截面尺寸的减小而增大。在温度和截面尺寸相同的情况下,不同应变率下的金纳米线拉伸力学性能的分子动力学模拟表明,在较高的应变率下,金纳米线的屈服强度更大,屈服发生的较早,在屈服时对应的应变也更大,并且金纳米线更容易发生二次屈服。金纳米线的弹性模量随着应变率的增大有所增加,但是幅度不是很明显。而在应变率相同、温度不同的情况下,通过对相同截面尺寸大小的金纳米线拉伸力学行为的模拟发现金纳米线的弹性模量和屈服强度均随着温度的提高而线性减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 纳米科技发展历程
• 1.3 纳米器件与纳米线的力学性能
• 1.3.1 纳米材料与纳米器件
• 1.3.2 纳米线的力学性能
• 1.4 研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 分子动力学模拟的原理和方法
• 2.1 引言
• 2.2 基本原理与方法
• 2.2.1 牛顿运动方程式的数值解法
• 2.2.2 系综概述
• 2.2.3 温度控制的方法
• 2.2.4 压力控制的方法
• 2.2.5 周期性边界条件
• 2.2.6 势函数
• 2.2.7 宏观物理量的计算与分析
• 2.3 分子动力学模拟的步骤
• 2.4 本文采取的技术路线
• 2.5 本文分子动力学模拟的细节
• 2.6 本章小结
• 第3章 金纳米线拉伸力学性能的尺寸效应
• 3.1 分子动力学模拟过程
• 3.1.1 模型建立
• 3.1.2 模拟步骤
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 拉伸过程中的金纳米线结构
• 3.2.2 对不同截面尺寸的金纳米线应力-应变曲线的分析
• 3.2.3 截面尺寸对金纳米线弹性模量、屈服强度的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 拉伸应变率和温度对金纳米线拉伸力学性能的影响
• 4.1 拉伸应变率对金纳米线拉伸力学性能的影响
• 4.1.1 分子动力学模拟过程
• 4.1.2 拉伸过程中金纳米线的结构形貌
• 4.1.3 应力-应变曲线、屈服强度和弹性模量的分析
• 4.2 温度对金纳米线拉伸力学性能的影响
• 4.2.1 分子动力学模拟过程
• 4.2.2 500K下金纳米线的应力-应变曲线
• 4.2.3 温度对金纳米线弹性模量与屈服强度的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文