类金刚石纳米材料的力学性能及其在水泥基复合材料改性中的应用
发布时间：2021-04-13 12:06
类金刚石纳米材料是指具有金刚石立方晶体结构的纳米材料,类金刚石纳米材料具有比表面积大、高强度、耐高温等不同于宏观材料的独特性能,可被用于复合材料增强增韧中,改善复合材料的物理和力学性能。本文应用纳米力学方法建立类金刚石纳米材料的多尺度分析模型,研究Si、SiO2纳米材料纳尺度结构特征和力学特性。随后,将Si、SiO2纳米材料应用到水泥复合材料改性中,通过纳米压痕试验研究增强增韧机理。主要研究内容如下:在Si、SiO2纳米材料微结构特征研究的基础上,应用高阶Cauchy-Born准则计算原子键长,应用Tersoff-Brenner势函数描述原子之间的作用,基于代表单元的能量最小化建立了类金刚石纳米材料的多尺度本构模型,并编写了计算程序,系统研究了Si、SiO2纳米材料的结构特征和力学特性。计算结果显示:单晶硅弹性模量随不同晶向发生变化,表现出各向异性,然而在[112]和[110]晶向弹性模量非常接近;在平行和垂直（111）晶面方向,单晶硅剪切模量和泊松比均为定值,不随晶向而改变,且平行（111）晶面方...
【文章来源】：中原工学院河南省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于高阶Cauchy-Born准则三维原子结构变形Fig.2.1Deformationofthree-dimensionalstructurebasedonhigh-orderCauchy-Bornrule
中原工学院硕士学位论文12图2.2原子I代表单元Fig.2.2RepresentativecellofatomicI原子I的应变能密度定义为：411(,,)()2IBIJIIJVVFGηr(2.17)这里3083/9Ir（r0是初始状态下原子间键长）为原子I在晶胞中所占有的体积。基于应变能密度，第一类Piola-Kirchhoff应力张量P，和与G共轭的高阶应力张量Q，可计算为：FPGQ(2.18)由式(2.16)可知应变能密度可表示为F、G和η的函数，当原子结构平衡时，结构具有最小能量，于是F、G和η可通过能量最小化来确定。引入变量λ，即：111213212223313233111112113122123133211212213222223233311312313322323333123(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,)FFFFFFFFFGGGGGGGGGGGGGGGGGGλ(2.19)当系统中的原子结构平衡时，对应的能量最校此时有：()0λλ(2.20)将(λ)按泰勒公式展开并保留到二阶项可得：(0)=(0)2(0)(0)(0)T(0)1()()+()()()2λλλλλλλλλλλλλλλ≈(2.21)将上式代入等式(2.20)便得平衡方程：fλK(2.22)其中非平衡力矢fλ和刚度矩阵Kλ分别为：
中原工学院硕士学位论文15异，因此，有必要研究不同晶面不同晶向的力学特性。本文主要对单晶硅（110）和（111）晶面的力学性能做了相关预测。图3.2单晶硅晶体结构Fig.3.2Crystalstructureofsinglecrystalsilicon图3.3（110）和（111）晶面原子结构空间排列Fig3.3Crosssectionandlateralviewintheparticulardirectionfor(a)Si(110)and(b)Si(111)
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiO2等纳米材料对混凝土性能的影响[J]. 刘红彬,李玲,纪宏飞,唐伟奇,肖凯璐,马唯哲,施政奇,李希光. 混凝土. 2014(04)
[2]SIZE EFFECTS OF ELASTIC MODULUS OF FCC METALS BASED ON THE CAUCHY-BORN RULE AND NANOPLATE MODELS[J]. Jianyun Liu,Jingru Song,Yueguang Wei. Acta Mechanica Solida Sinica. 2014(02)
[3]纳米水泥混凝土力学特性研究[J]. 刘伟. 交通标准化. 2012(02)
[4]Compressive strength and abrasion resistance of concrete containing SiO2 and CuO nanoparticles in different curing media[J]. Shadi RIAHI,Ali NAZARI. Science China（Technological Sciences）. 2011(09)
[5]单晶硅纳米力学性能的测试[J]. 赵宏伟,杨柏豪,赵宏健,黄虎. 光学精密工程. 2009(07)
[6]单晶硅（111）晶面纳米压痕过程分子动力学仿真及实验（英文）[J]. 李德刚,梁迎春,白清顺,董申. 纳米技术与精密工程. 2008(04)
[7]纳米SiO2的分散研究[J]. 吴敏,程秀萍,葛明桥. 纺织学报. 2006(04)
[8]纳米材料的结构特征与特殊性能[J]. 杨鼎宜,孙伟. 材料导报. 2003(10)
[9]纳米技术与纳米材料（Ⅳ）——纳米技术在高新科技中的应用[J]. 陈明清,张明,蒋惠亮,方云. 日用化学工业. 2003(04)
[10]纳米SiO2与水泥硬化浆体中Ca（OH）2的反应[J]. 叶青,张泽南,陈荣升,马成畅. 硅酸盐学报. 2003(05)
博士论文
[1]纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料试验研究[D]. 高翔.浙江大学 2016
[2]碳纳米管的相关力学问题的研究[D]. 王晋宝.大连理工大学 2007
硕士论文
[1]基于SEM在线纳米切削的切削力检测研究[D]. 刘立芳.天津大学 2017
本文编号：3135265
【文章来源】：中原工学院河南省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
基于高阶Cauchy-Born准则三维原子结构变形Fig.2.1Deformationofthree-dimensionalstructurebasedonhigh-orderCauchy-Bornrule
中原工学院硕士学位论文12图2.2原子I代表单元Fig.2.2RepresentativecellofatomicI原子I的应变能密度定义为：411(,,)()2IBIJIIJVVFGηr(2.17)这里3083/9Ir（r0是初始状态下原子间键长）为原子I在晶胞中所占有的体积。基于应变能密度，第一类Piola-Kirchhoff应力张量P，和与G共轭的高阶应力张量Q，可计算为：FPGQ(2.18)由式(2.16)可知应变能密度可表示为F、G和η的函数，当原子结构平衡时，结构具有最小能量，于是F、G和η可通过能量最小化来确定。引入变量λ，即：111213212223313233111112113122123133211212213222223233311312313322323333123(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,)FFFFFFFFFGGGGGGGGGGGGGGGGGGλ(2.19)当系统中的原子结构平衡时，对应的能量最校此时有：()0λλ(2.20)将(λ)按泰勒公式展开并保留到二阶项可得：(0)=(0)2(0)(0)(0)T(0)1()()+()()()2λλλλλλλλλλλλλλλ≈(2.21)将上式代入等式(2.20)便得平衡方程：fλK(2.22)其中非平衡力矢fλ和刚度矩阵Kλ分别为：
中原工学院硕士学位论文15异，因此，有必要研究不同晶面不同晶向的力学特性。本文主要对单晶硅（110）和（111）晶面的力学性能做了相关预测。图3.2单晶硅晶体结构Fig.3.2Crystalstructureofsinglecrystalsilicon图3.3（110）和（111）晶面原子结构空间排列Fig3.3Crosssectionandlateralviewintheparticulardirectionfor(a)Si(110)and(b)Si(111)
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiO2等纳米材料对混凝土性能的影响[J]. 刘红彬,李玲,纪宏飞,唐伟奇,肖凯璐,马唯哲,施政奇,李希光. 混凝土. 2014(04)
[2]SIZE EFFECTS OF ELASTIC MODULUS OF FCC METALS BASED ON THE CAUCHY-BORN RULE AND NANOPLATE MODELS[J]. Jianyun Liu,Jingru Song,Yueguang Wei. Acta Mechanica Solida Sinica. 2014(02)
[3]纳米水泥混凝土力学特性研究[J]. 刘伟. 交通标准化. 2012(02)
[4]Compressive strength and abrasion resistance of concrete containing SiO2 and CuO nanoparticles in different curing media[J]. Shadi RIAHI,Ali NAZARI. Science China（Technological Sciences）. 2011(09)
[5]单晶硅纳米力学性能的测试[J]. 赵宏伟,杨柏豪,赵宏健,黄虎. 光学精密工程. 2009(07)
[6]单晶硅（111）晶面纳米压痕过程分子动力学仿真及实验（英文）[J]. 李德刚,梁迎春,白清顺,董申. 纳米技术与精密工程. 2008(04)
[7]纳米SiO2的分散研究[J]. 吴敏,程秀萍,葛明桥. 纺织学报. 2006(04)
[8]纳米材料的结构特征与特殊性能[J]. 杨鼎宜,孙伟. 材料导报. 2003(10)
[9]纳米技术与纳米材料（Ⅳ）——纳米技术在高新科技中的应用[J]. 陈明清,张明,蒋惠亮,方云. 日用化学工业. 2003(04)
[10]纳米SiO2与水泥硬化浆体中Ca（OH）2的反应[J]. 叶青,张泽南,陈荣升,马成畅. 硅酸盐学报. 2003(05)
博士论文
[1]纳米SiO2改性超高韧性水泥基复合材料试验研究[D]. 高翔.浙江大学 2016
[2]碳纳米管的相关力学问题的研究[D]. 王晋宝.大连理工大学 2007
硕士论文
[1]基于SEM在线纳米切削的切削力检测研究[D]. 刘立芳.天津大学 2017
本文编号：3135265
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