纳米压入分子动力学应用研究
发布时间：2021-03-27 08:57
随着纳米技术的快速发展,研究对象尺寸越来越小,材料的微纳米力学性能得到了广泛关注。纳米压入法具有精度高、对材料破坏性小等优势,被广泛应用于材料特征区域、微机电系统和薄膜材料等力学性能的表征。然而,纳米压入实验研究由于仪器条件的限制,如压头尖端钝化、材料表面起伏、以及环境干扰等因素的作用,测试精度随压入深度减小而大幅度下降;另一方面,该实验方法难以研究材料内部缺陷的演变信息。分子动力学（Molecular dynamics,简称MD）模拟能实时显示原子的动态行为,是研究压入响应内在机制的有力工具,近年来得到快速发展。然而由于材料体系种类多且复杂,目前仍处于起步阶段,本文以单晶铝,单晶硅,以及非晶碳膜为三种代表性材料为对象,通过MD研究了纳米压入过程中位错反应、相变过程与非晶形变的分子动力学机理。通过MD模拟单晶铝（100）的纳米压入过程,分析了位错萌生、运动与反应过程,并重点揭示了棱柱位错环脱离的新反应机制,即肖克莱部分位错间反应生成压杆位错;肖克莱部分位错与压杆位错反应生成新的肖克莱位错;肖克莱位错间发生湮灭释放出棱柱位错环。此外,压入深度和保载时间对单晶铝的力学性能和棱柱位错环的运动...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压头尖端示意图：(a)Vickers压头,(b)Berkovich压头,(c)圆锥压头，(d)球形压头（未按比例）
第一章 绪论残余深度 hr到最大深度 hmax的加载和卸载是弹性的，赫兹认为在样品自由表面下的的深度 ha是弹性位移 he的一半，即从自由表面到保载时的接触圆的半径深度间的距=he/2。由图 1-2（a）可得：cah h hmax（1.42maxechh h （1.5触深度 hc已知后，根据图 1-2（a）Ri、hc和 a 间的几何关系可计算出接触半径 a，然算出接触面积 A=πa2，P 是最大载荷 Pmax，所以硬度为：APH （1.6）
纳米压入的分子动力学研究1956 年 12 月，Nobel 奖的获得者 Richard Fcymnan 在美国物理学会上提出：“要是原子/分子的规模上加工材料和制备装置，人类将会有很多的新发现”[5]，也是由此开启了纳米世界的研究热潮。纳米压入技术作为最简单的测试材料力学性质的方法其实验过程是具有局限性的，例如很难有效地捕捉到材料在受力过程中的微观特征。尤在原子尺度时其力学性能与宏观性能差别很大，采用实验的方法很难获取材料的变形特学性能，而 MD 模拟能实时将分子（或者原子）的动态行为展示到计算机屏幕上,以便了解研究体系在一定条件下的演变过程。因此，采用MD 模拟的方法研究纳米压入接触到人们的青睐。1990 年，Landman 等人[6]首次采用MD 模拟镍探针与金基体的接触行为，研究了粘附形式、纳米压入、分离和裂纹的机制，提出在加载前探针与基底距离很小时会出现触现象，此时会有金原子粘附在镍探针上，随后压痕会导致金表面发生塑性变形，的时候探针和基底之间会形成连接原子（connectiveneck）并且会被拉伸变长，这个涉及弹性阶段和屈服阶段的结构转变，其作用过程如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]含缺陷双层石墨烯的纳米压痕模拟研究[J]. 华军,武霞霞,段志荣. 力学学报. 2016(04)
[2]压头速度对Ni3Al纳米压痕过程影响的数值仿真[J]. 胡腾越,郑百林,贺鹏飞,岳珠峰. 计算机辅助工程. 2013(05)
[3]类金刚石薄膜力学特性的分子动力学模拟[J]. 权伟龙,李红轩,吉利,赵飞,杜雯,周惠娣,陈建敏. 物理学报. 2010(08)
[4]单晶铜薄膜纳米压痕过程的分子动力学模拟[J]. 黄跃飞,张俊杰,周军晖. 机械工程材料. 2008(04)
[5]单晶Cu在纳米压痕过程中的微观破坏机制[J]. 程东,严立,严志军. 大连海事大学学报. 2005(02)
[6]纳米硬度测量中接触面积及压头曲率半径效应的分子动力学模拟[J]. 陈尚达,柯孚久. 中国科学G辑:物理学、力学、天文学. 2003(05)
本文编号：3103231
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
压头尖端示意图：(a)Vickers压头,(b)Berkovich压头,(c)圆锥压头，(d)球形压头（未按比例）
第一章 绪论残余深度 hr到最大深度 hmax的加载和卸载是弹性的，赫兹认为在样品自由表面下的的深度 ha是弹性位移 he的一半，即从自由表面到保载时的接触圆的半径深度间的距=he/2。由图 1-2（a）可得：cah h hmax（1.42maxechh h （1.5触深度 hc已知后，根据图 1-2（a）Ri、hc和 a 间的几何关系可计算出接触半径 a，然算出接触面积 A=πa2，P 是最大载荷 Pmax，所以硬度为：APH （1.6）
纳米压入的分子动力学研究1956 年 12 月，Nobel 奖的获得者 Richard Fcymnan 在美国物理学会上提出：“要是原子/分子的规模上加工材料和制备装置，人类将会有很多的新发现”[5]，也是由此开启了纳米世界的研究热潮。纳米压入技术作为最简单的测试材料力学性质的方法其实验过程是具有局限性的，例如很难有效地捕捉到材料在受力过程中的微观特征。尤在原子尺度时其力学性能与宏观性能差别很大，采用实验的方法很难获取材料的变形特学性能，而 MD 模拟能实时将分子（或者原子）的动态行为展示到计算机屏幕上,以便了解研究体系在一定条件下的演变过程。因此，采用MD 模拟的方法研究纳米压入接触到人们的青睐。1990 年，Landman 等人[6]首次采用MD 模拟镍探针与金基体的接触行为，研究了粘附形式、纳米压入、分离和裂纹的机制，提出在加载前探针与基底距离很小时会出现触现象，此时会有金原子粘附在镍探针上，随后压痕会导致金表面发生塑性变形，的时候探针和基底之间会形成连接原子（connectiveneck）并且会被拉伸变长，这个涉及弹性阶段和屈服阶段的结构转变，其作用过程如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]含缺陷双层石墨烯的纳米压痕模拟研究[J]. 华军,武霞霞,段志荣. 力学学报. 2016(04)
[2]压头速度对Ni3Al纳米压痕过程影响的数值仿真[J]. 胡腾越,郑百林,贺鹏飞,岳珠峰. 计算机辅助工程. 2013(05)
[3]类金刚石薄膜力学特性的分子动力学模拟[J]. 权伟龙,李红轩,吉利,赵飞,杜雯,周惠娣,陈建敏. 物理学报. 2010(08)
[4]单晶铜薄膜纳米压痕过程的分子动力学模拟[J]. 黄跃飞,张俊杰,周军晖. 机械工程材料. 2008(04)
[5]单晶Cu在纳米压痕过程中的微观破坏机制[J]. 程东,严立,严志军. 大连海事大学学报. 2005(02)
[6]纳米硬度测量中接触面积及压头曲率半径效应的分子动力学模拟[J]. 陈尚达,柯孚久. 中国科学G辑:物理学、力学、天文学. 2003(05)
本文编号：3103231
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3103231.html
