非晶态固体的结构可以决定性能吗?
发布时间：2020-12-26 02:17
晶态固体的力学性能与塑性变形主要由结构缺陷,比如位错的运动决定.而在非晶态固体中结构如何决定性能,仍然是固体力学、材料学和凝聚态物理学共同关心但尚未解决的核心问题之一.传统材料学研究的经典范式为"结构决定性能".遵循这一信条,已经有大量的实验表征与理论、模拟研究,尝试将非晶态固体的某种结构特征与性能建立一一对应关系.但是,科学界对于非晶固体结构-性能关系成立与否,以及背后隐藏的规律知之甚少.本文针对非晶态固体的变形机制以及其微结构特征,基于分子动力学模拟,定量评估短程简单结构与中长程复杂结构在决定非晶态固体动力学性能方面的效用.通过海量抽样每种具体玻璃结构的激活能（标识激发难易程度）,尝试将结构参数与激活能建立定量关系,从而揭示出非晶态固体结构-性能关系的隐藏主控因素为结构的空间关联,受限比几何结构本身更关键.只有某种结构在空间上呈现亚纳米级的空间关联长度,这种完备结构才有可能有效地决定非晶态固体的力学性能,而短程简单结构则无效.进一步,给出了评价非晶态固体结构预测性能有效性的普适定量方法,为建立广义无序物质的结构-性能关系提供了筛选准则.
【文章来源】：力学学报. 2020年02期 北大核心
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
典型CuZr二元金属玻璃黏度的空间分布.由于微观结构不均匀,动力学性质具有显著的空间涨落特征,同时存在类固体和类液体区域
其中,v和u表示原子类型(Cu或者Zr),ρv是v类型原子的数密度,giuv表示u类型的原子i和ν类型的其他原子之间的局部径向分布函数(radial distribution function,RDF),rcutoff是积分的截断半径.两体过剩熵是过剩熵有限项展开后的两体部分,为过剩熵最主要的部分,它表示由于原子位置的相互关联导致的相对于理想气体状态的熵损失.因为平衡态理想气体熵最大,非晶态固体中的原子级别过剩熵总是负值,绝对值越大,则该原子越有序.它曾被应用于预测玻璃形成液体的扩散行为和不均匀动力学,以及软胶体玻璃的局部粒子重排[68].因此,它可以作为一种纯结构参数来探索可能的结构-性能关联.除此之外,由于积分截断半径的选择具有灵活性,该自由度为检测空间关联在调节结构-性能关系中的重要作用提供很大可能性.2.2 热力学指标
ART算法的核心思想如图3所示.产生事件以评估其激活能的过程包括3个基本步骤[97].首先,从一个局部势能最小点开始,以随机方向扰动某一集团原子使其离开势阱;然后,基于Lanczos算法,通过Hessian矩阵求解,评估可能能量路径的最弱方向,即能量曲面的最小弧度方向,并沿该方向收敛到鞍点,鞍点能量与初态状态的势能相比,获取该事件激活能;最后,将状态弛豫到一个新的相邻局部势能最小态.本文所采用的ART nouveau(ARTn)程序抽样激活能的计算参数设置如下.初始扰动以随机位移的方式施加到单个或集团原子上,扰动位移的大小固定为0.1?,扰动方向随机选取.位移增量设定为0.15?.为了限制激活作用到单个原子,从而得到原子量级的激活能,设置的扰动截断距离为2?(小于体系RDF第一峰的位置约2.8?).激活能为鞍点态和初始能量最小点之间的能量差.当搜索的PEL片段曲率小于-0.30 eV/?2时,认为系统逃出势阱.之后沿着Hessian矩阵最小特征值方向推向鞍点.当系统中任何原子的受力均小于0.05 eV/?时,系统达到鞍点态.
【参考文献】：
期刊论文
[1]非晶合金“拉伸转变区”模型[J]. 蒋敏强,戴兰宏. 科学通报. 2017(21)
本文编号：2938840
【文章来源】：力学学报. 2020年02期 北大核心
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
典型CuZr二元金属玻璃黏度的空间分布.由于微观结构不均匀,动力学性质具有显著的空间涨落特征,同时存在类固体和类液体区域
其中,v和u表示原子类型(Cu或者Zr),ρv是v类型原子的数密度,giuv表示u类型的原子i和ν类型的其他原子之间的局部径向分布函数(radial distribution function,RDF),rcutoff是积分的截断半径.两体过剩熵是过剩熵有限项展开后的两体部分,为过剩熵最主要的部分,它表示由于原子位置的相互关联导致的相对于理想气体状态的熵损失.因为平衡态理想气体熵最大,非晶态固体中的原子级别过剩熵总是负值,绝对值越大,则该原子越有序.它曾被应用于预测玻璃形成液体的扩散行为和不均匀动力学,以及软胶体玻璃的局部粒子重排[68].因此,它可以作为一种纯结构参数来探索可能的结构-性能关联.除此之外,由于积分截断半径的选择具有灵活性,该自由度为检测空间关联在调节结构-性能关系中的重要作用提供很大可能性.2.2 热力学指标
ART算法的核心思想如图3所示.产生事件以评估其激活能的过程包括3个基本步骤[97].首先,从一个局部势能最小点开始,以随机方向扰动某一集团原子使其离开势阱;然后,基于Lanczos算法,通过Hessian矩阵求解,评估可能能量路径的最弱方向,即能量曲面的最小弧度方向,并沿该方向收敛到鞍点,鞍点能量与初态状态的势能相比,获取该事件激活能;最后,将状态弛豫到一个新的相邻局部势能最小态.本文所采用的ART nouveau(ARTn)程序抽样激活能的计算参数设置如下.初始扰动以随机位移的方式施加到单个或集团原子上,扰动位移的大小固定为0.1?,扰动方向随机选取.位移增量设定为0.15?.为了限制激活作用到单个原子,从而得到原子量级的激活能,设置的扰动截断距离为2?(小于体系RDF第一峰的位置约2.8?).激活能为鞍点态和初始能量最小点之间的能量差.当搜索的PEL片段曲率小于-0.30 eV/?2时,认为系统逃出势阱.之后沿着Hessian矩阵最小特征值方向推向鞍点.当系统中任何原子的受力均小于0.05 eV/?时,系统达到鞍点态.
【参考文献】：
期刊论文
[1]非晶合金“拉伸转变区”模型[J]. 蒋敏强,戴兰宏. 科学通报. 2017(21)
本文编号：2938840
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