基于分子动力学的单晶铜纳米线力学性能研究

发布时间：2017-09-25 23:33

  本文关键词：基于分子动力学的单晶铜纳米线力学性能研究

  更多相关文章： 孔洞缺陷 分子动力学 纳米线 单晶铜 力学性能 塑性模量

【摘要】：随着微纳机电系统(MEMS/NEMS)应用前景日益明朗,作为制造微纳机电器件基本元件的纳米线力学性能的研究受到了广泛关注。基于分子动力学模拟方法,研究孔洞缺陷纳米线力学性能是进行纳米线力学性能研究的重要方向,但是目前存在外部条件、孔洞缺陷结构参数和力学性能指标研究不充分以及作为有益因素而被人为设计到纳米线中的孔洞研究缺乏的问题。基于分子动力学模拟方法,采用单晶铜纳米线作为研究对象,研究在不同温度和应变率下包含孔洞缺陷结构类型、孔洞缺陷结构位置和模型结构类型的孔洞缺陷结构参数对纳米线力学性能的影响规律,最后确定含孔洞的纳米线最优的孔洞结构设计参数和外部条件。首先,研究了温度和应变率对理想单晶铜纳米线力学性能指标的影响。构建了分子动力学仿真环境,在LAMMPS基本指令基础上,编写了理想单晶铜纳米线三维几何模型、弛豫过程和拉伸变形过程运行代码。在合理确定仿真实验参数基础上,进行了单轴拉伸分子动力学仿真实验,观察到了应力应变曲线上在第一峰值点之后到第一下屈服点之间的一段曲线呈现线性函数关系的现象,与弹性状态呈现异性,计算出此曲线段的斜率,并定义为塑性模量;分析了两个外部因素(即应变率和温度)对理想单晶纳铜米线塑性模量等力学性能指标的影响。其次,研究了原始孔洞缺陷结构参数对单晶铜纳米线力学性能指标的影响。建立了包含三个原始孔洞缺陷结构参数(即孔洞缺陷结构类型、孔洞缺陷结构位置和模型结构类型)的孔洞缺陷单晶铜纳米线仿真模型,考虑了温度和应变率,研究了在不同温度和应变率下原始孔洞缺陷结构参数对纳米线力学性能指标的影响,为孔洞缺陷纳米线力学性能的理解提供技术指导。最后,研究了纳米线力学性能指标最优情况下孔洞结构设计参数和外部条件的设定。建立了包含三个原始孔洞结构设计参数(即孔洞类型、孔洞位置和模型结构类型)的孔洞单晶铜纳米线分子动力学仿真模型,考虑了两个外部因素(即温度和应变率),进行了单轴拉伸分子动力学仿真实验。通过使用混合正交实验法,考虑了元素间的交互作用,确定了在塑性模量等力学性能指标达到最佳时所对应的内部结构形式(即孔洞结构类型、孔洞结构位置和模型结构类型)和外部条件(即温度和应变率),为纳米线结构设计提供技术指导。通过研究,塑性模量与应变率表现为对数函数关系,而它与温度表现为二次函数关系;纳米线塑性模量值最大时所对应的最优设定值是应变率2.5×108s-1,温度为0.1k,孔洞结构类型为球体,模型结构类型为圆柱体,孔洞结构位置在表面。本文的研究成果对孔洞纳米线力学性能的理解提供了一定的理论指导。
【关键词】：孔洞缺陷 分子动力学 纳米线 单晶铜 力学性能 塑性模量
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TG146.11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-24
• 1.1 课题研究的背景和意义11-13
• 1.2 本课题的国内外研究进展13-20
• 1.2.1 纳米线力学性能原位实验的研究进展13-14
• 1.2.2 纳米线力学性能的分子动力学模拟研究进展14-20
• 1.3 研究内容及技术路线20-24
• 1.3.1 研究内容21-22
• 1.3.2 研究方法与技术路线22-24
• 第2章 分子动力学仿真环境搭建24-36
• 2.1 引言24
• 2.2 搭建分子动力学并行计算平台24-26
• 2.2.1 仿真硬件环境24
• 2.2.2 仿真软件环境24-26
• 2.3 代码编写及数据处理26-35
• 2.3.1 仿真方法确定26-29
• 2.3.2 代码编写29-33
• 2.3.3 数据处理33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 应变率和温度对理想单晶铜纳米线力学性能指标的影响36-61
• 3.1 理想单晶铜纳米线分子动力学仿真三维模型36-37
• 3.2 分子动力学仿真条件37-41
• 3.2.1 初始条件37-40
• 3.2.2 物理量单位40
• 3.2.3 嵌入原子势函数40-41
• 3.3 仿真结果分析41-60
• 3.3.1 应变率效应41-47
• 3.3.2 温度效应47-51
• 3.3.3 塑性模量51-56
• 3.3.4 曲线波动效应56-60
• 3.4 本章小结60-61
• 第4章 原始孔洞缺陷结构参数对单晶铜纳米线力学性能指标的影响61-80
• 4.1 孔洞缺陷单晶铜纳米线分子动力学仿真三维模型61-63
• 4.2 仿真结果分析63-79
• 4.2.1 孔洞效应对单轴拉伸应力应变曲线的影响63-66
• 4.2.2 孔洞缺陷结构类型对单轴拉伸力学性能的影响66-70
• 4.2.3 孔洞缺陷结构位置对单轴拉伸力学性能的影响70-75
• 4.2.4 模型结构类型对单轴拉伸力学性能的影响75-79
• 4.3 本章小结79-80
• 第5章 纳米线力学性能指标最优时孔洞结构设计参数和外部条件设定80-97
• 5.1 在不同应变率下孔洞结构设计参数及交互作用对实验指标影响80-88
• 5.1.1 杨氏模量和塑性模量81-83
• 5.1.2 屈服强度和抗拉强度83-88
• 5.2 在不同温度下孔洞结构设计参数及交互作用对实验指标影响88-94
• 5.2.1 杨氏模量和塑性模量88-91
• 5.2.2 屈服强度和抗拉强度91-94
• 5.3 确定最优的孔洞结构设计参数和外部条件94-96
• 5.4 本章小结96-97
• 结论97-100
• 参考文献100-106
• 附录106-113
• 附录1 LAMMPS输入脚本in代码106-108
• 附录2 指定原子属性可视化TCL代码108-113
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文113-114
• 致谢114-115

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