纳米晶超晶格的形成机理及力学性能研究

发布时间：2017-12-07 21:25

  本文关键词：纳米晶超晶格的形成机理及力学性能研究

  更多相关文章： 纳米晶超晶格 自组装 分子动力学 布朗动力学 晶粒间距 多体效应 弹性性质 拉压不对称性 拉伸力学行为 四面体纳米晶 相互作用

【摘要】：纳米晶超晶格是一种由有机分子(配体)包覆的纳米晶通过自组装构筑而成的二维或三维空间周期性的长程有序超结构。由于具有独特的光电磁性质以及灵活的可调控性,纳米晶超晶格在电子、光电、热传导和大阳能电池等领域具有巨大的应用潜力,是目前化学材料领域的一个前沿研究热点。研究纳米晶超晶格的形成机理和力学性能对其制备合成与器件应用有着重要的理论指导意义。本文主要围绕纳米晶超晶格的形成机理与结构力学性能展开了系统的理论模拟研究,主要工作可归纳如下:本文利用布朗动力学模拟研究了十二硫醇修饰的金纳米晶在甲苯-空气界面的自组装行为。随着晶粒尺寸从3 nm增加到9 nm,研究发现金纳米晶组装成三种不同的相态,即耗散相、类圆形团簇和分散晶粒共存的混合相以及致密的树枝分形相。研究结果表明纳米晶的组装相态是由其相互作用强度Φ_c决定的,并且Φ_c≈-3.5K_BT最适合组装成完整的六方排布的单层膜结构。这些模拟结果对制备金纳米晶单层膜材料具有重要的意义,因为纳米晶的相互作用可以通过改变晶粒尺寸、配体长度以及溶剂性质来调控。纳米晶的相互作用对理解超晶格的形成机理与力学性能有着重要的意义。本文利用原子尺度受限分子动力学模拟研究了硫醇修饰的正四面体金纳米晶在真空中的相互作用。研究发现正四面体金纳米晶的相互作用强烈依赖于纳米晶的柔软度(配体长度与晶粒尺寸的比值)。当柔软度较小的时候,正四面体金纳米晶的相互作用与晶粒排列取向有关,表现出最强的面对面相互作用。然而,随着柔软度的逐渐增加,正四面体金纳米晶的相互作用会从各向异性向各向同性转变。研究还发现配体长度和晶粒尺寸的改变均会影响正四面体金纳米晶的相互作用强度。晶粒间距对纳米晶超晶格的光电性质至关重要。基于原子尺度分子动力学模拟,本文系统研究了晶粒尺寸、配体长度和外部压强对硫醇修饰的金纳米晶超晶格晶粒间距的影响。研究表明晶粒间距随配体长度的增加而线性增加,随压强的减小而增加,然而与纳米晶尺寸无关,这与实验数据吻合。另外,通过比较晶粒间距与一对纳米晶平衡距离的大小,发现纳米晶超晶格内部存在排斥的多体作用。结果表明,配体越长和晶粒尺寸越小,纳米晶超晶格的多体作用就越强。纳米晶超晶格的力学性能对其实际应用有着重要的意义。本文利用原子尺度分子动力学模拟系统研究了晶粒尺寸、配体长度和晶粒结晶度对硫醇修饰的金纳米晶超晶格弹性性质的影响。结果表明金纳米晶超晶格的杨氏模量在1 GPa左右,剪切模量在100MPa左右。研究发现,随着晶粒尺寸增加超晶格的杨氏模量明显减小而剪切模量基本不变;随着配体长度增加超晶格的杨氏模量增加但剪切模量减小。此外,当纳米晶由多晶变为相同尺寸的单晶时,超晶格的杨氏模量会显著增加。这些结果可以归因于晶粒尺寸、晶粒形状和配体长度的变化而引起的配体-配体相互作用改变。本文利用原子尺度分子动力学模拟研究了硫醇修饰的金纳米晶超晶格弹性性质的拉压不对称性。研究发现在单轴拉伸和压缩状态下,金纳米晶超晶格表现出明显不对称的弹性常数C_(11)和C_(12),然而在正负纯剪状态下C44是对称的。研究结果表明,配体在压缩状态下相互作用得更多使超晶格变硬,而在拉伸状态下相互作用得较少使超晶格变软,从而导致了C_(11)和C_(12)的弹性不对称性。此外,超晶格拉压弹性不对称性与配体长度和晶粒尺寸均无关。本文利用粗颗粒化分子动力学模拟研究了硫醇修饰的金纳米晶单层膜的单向拉伸力学行为。结果表明,单层膜的杨氏模量在6-15GPa范围内,并随着晶粒尺寸的增加和配体长度的减小而减小。研究发现,在内部产生缺陷之前,超晶格经历了弹性和非弹性两个变形阶段。随着应变的增大,单层膜的破坏从内部开始,同时形成两条与拉伸方向成±600的滑移带,对称地向外部延伸,并引发孔洞和裂纹,最终导致试件的断裂。本文从纳米晶超晶格的形成机理与结构力学性能出发,分别就块体金纳米晶超晶格的晶粒间距、多体效应、弹性性质和拉压不对称性,以及金纳米晶单层膜的形成机制和宏观拉伸力学行为进行了研究,并探究了非球形四面体金纳米晶在真空中的相互作用,为纳米晶超晶格的制备合成与实际应用提供了理论依据。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 刘国权;;晶粒尺寸分布对纯铁拉伸性能的影响[J];物理测试;1989年03期

2 崔建忠;超塑变形中的晶粒尺寸效应[J];东北工学院学报;1986年04期

3 陈升媛;;晶粒尺寸对金属磨蚀速度的影响[J];上海金属.有色分册;1988年02期

4 赵新兵;K.LüCKE;;计算晶粒尺寸分布的几何模型及实用方法[J];金属学报;1992年08期

5 杨金岱;低合金钢中添加钛对控制晶粒尺寸的效果[J];钢铁研究学报;1992年02期

6 朱家明;;基于图像分析软件的晶粒尺寸分布统计[J];压电与声光;2013年04期

7 王德庆,李隆盛;结晶组织形态和晶粒尺寸对高锰奥氏体铸钢机械性能的影响[J];大连工学院学报;1986年03期

8 李培恩,林国强,张俊善,王富岗,金俊泽;晶粒尺寸及晶界碳化物对蠕变断裂的影响[J];大连理工大学学报;1989年05期

9 刘国权;金属晶粒尺寸与拓扑参量分布数字特征间的关系[J];北京科技大学学报;1989年04期

10 金满,南胜辉;压缩率与热处理温度对钢丝晶粒尺寸的影响[J];金属制品;1993年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 戴广乾;黄平;王飞;徐可为;;金属薄膜中晶粒尺寸与膜厚强化机制的研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

2 佟伟平;刘刚;;纳米纯铁硬度和晶粒尺寸关系研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（下）[C];2005年

3 刘艳辉;孟亮;汪洋;;晶粒尺寸对FeS_2薄膜微应变及光吸收特性的影响[A];第十五届华东地区热处理年会暨华东地区热处理年会三十周年纪念活动论文摘要集[C];2006年

4 林红春;孟惠民;王立贤;孙冬柏;俞宏英;;纳米晶粒尺寸对Ni-Fe-C电极析氢电催化活性的影响[A];第七届全国表面工程学术会议暨第二届表面工程青年学术论坛论文集（一）[C];2008年

5 王立平;高燕;薛群基;徐洮;;晶粒尺寸对电沉积纳米晶Ni镀层的电化学腐蚀行为影响[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集（下集）[C];2005年

6 甘志鹏;何玉明;刘大彪;张波;沈磊;;晶粒尺寸和样品尺寸对金丝扭转强度的影响[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年

7 徐彦霖;王增勇;黄振翅;;使用超声声速法确定HR-2钢的晶粒尺寸[A];中国工程物理研究院科技年报（2000）[C];2000年

8 陈广超;李彬;戴风伟;兰昊;J.Askri;吕反修;;采用DC Arc plasma Jet CVD方法制备层结构的金刚石自支撑膜[A];第六届全国表面工程学术会议论文集[C];2006年

9 张喜燕;石明华;李聪;刘年富;邱绍宇;张强;张鹏程;韦以明;;超细晶锆金属腐蚀速率-晶粒尺寸关系研究[A];2006全国核材料学术交流会论文集[C];2006年

10 施瑜;傅杰;吴华杰;;低碳钢中硫的作用和控制[A];冶金研究中心2005年“冶金工程科学论坛”论文集[C];2005年

中国博士学位论文全文数据库 前6条

1 朱亚新;纳米结构材料塑性变形行为及其强韧机理研究[D];华中科技大学;2016年

2 刘雪鹏;纳米晶超晶格的形成机理及力学性能研究[D];中国科学技术大学;2017年

3 谭永强;钛酸钡陶瓷的压电晶粒尺寸效应及压电物性改性[D];山东大学;2014年

4 李克峰;Fe-6.5Si单相合金雾化液滴凝固行为与组织形成机制[D];上海大学;2014年

5 李榕;纳米至亚微米Bi_2O_3-Ln_2O_3（Ln=Y、Er、Dy）氧离子导体晶粒尺寸对性能的影响[D];上海大学;2011年

6 胡亚威;TiC/a-C：H薄膜的制备及性能研究[D];上海交通大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 海敏娜;晶粒尺寸、织构和第二相对FSP AZ80镁合金性能影响研究[D];西安建筑科技大学;2015年

2 王征;氮化硼陶瓷晶粒尺寸和晶型对力学及抗溅射性能的影响[D];哈尔滨工业大学;2015年

3 李磊;二氧化钛基空心纳米光催化剂的合成、改性及光催化性能研究[D];浙江师范大学;2015年

4 张皓;铝硅合金双螺旋搅拌技术研究及晶粒尺寸预测[D];东北大学;2013年

5 刘钟阳;铜箔超声键合工艺的研究[D];哈尔滨工业大学;2014年

6 李旭棠;微观尺度下的摩擦机理与测试方法研究[D];华中科技大学;2014年

7 田兴;铌酸钾钠基陶瓷的制备、微结构和压电物性[D];山东大学;2016年

8 胡师鹤;纯铜的微观组织与力学性能的晶粒尺寸效应研究[D];南京理工大学;2016年

9 郭洪举;搅拌摩擦加工镁合金变形行为的研究[D];西安建筑科技大学;2016年

10 黄治黎;受控扩散凝固法制备A390铝合金微观结构及其形成机制研究[D];重庆大学;2016年

，

本文编号：1263892