TiN納米晶粒尺寸對(duì)薄膜力學(xué)性能影響的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、本文使用分子動(dòng)力學(xué)軟件包lammps基于2NN MEAM勢(shì)分別對(duì)TiN單晶、多晶材料進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真研究,以探究各種因素對(duì)TiN材料硬度的影響。首先,為了選擇一個(gè)適用于課題研究的有效作用勢(shì),本文分別對(duì)Si的六種不同作用勢(shì)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn),2NN MEAM勢(shì)更適用于描述材料的力學(xué)性能,因而更適用于本課題的研究。隨后使用分子動(dòng)力學(xué)軟件包lammps基于2NN MEAM勢(shì)模擬了單晶氮化鈦納米桿的軸向拉伸破壞過程,計(jì)算得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2、曲線,分析了沿[100]、[111]兩種晶向拉伸下的不同截面尺寸、不同拉伸應(yīng)變率、不同溫度下的氮化鈦納米桿的力學(xué)性能,詳細(xì)描述了氮化鈦納米桿拉伸變形過程。在對(duì)TiN多晶體的仿真研究過程中,為了使仿真結(jié)果更接近自然環(huán)境,通過編程方法基于Voronoi算法構(gòu)建了TiN多晶體模型,并控制其晶粒尺寸的分布。最后,使用lammps軟件包模擬了多晶氮化鈦軸向拉伸及壓縮過程,詳細(xì)描述了整個(gè)過程中晶粒、晶界及微觀粒子的運(yùn)動(dòng),計(jì)算得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,

3、分析了不同晶粒尺寸、不同拉伸應(yīng)變率及不同工作溫度對(duì)多晶氮化鈦力學(xué)性能的影響。
　　通過上述研究,主要得到了以下研究成果:
　　1)2NN MEAM勢(shì)更適用于描述材料的力學(xué)性能,其它類型的作用勢(shì)在仿真熱力學(xué)性質(zhì)等其它方面具有優(yōu)勢(shì)。使用2NN MEAM勢(shì)計(jì)算得到的TiN的各種力學(xué)性能均與實(shí)際相符合,表明2NN MEAM勢(shì)及分子動(dòng)力學(xué)可以應(yīng)用于仿真研究TiN材料。
　　2)對(duì)于TiN單晶材料而言,拉伸晶向、截面尺寸、應(yīng)變率及

4、溫度均會(huì)對(duì)TiN納米桿的拉伸變形過程及力學(xué)性能產(chǎn)生不同程度的影響。沿[100]晶向的拉伸,截面尺寸越大,屈服強(qiáng)度越低;而沿[111]晶向,截面尺寸越大,屈服強(qiáng)度越大。應(yīng)變率越高,溫度越低,屈服強(qiáng)度與彈性模量越大。不同拉伸條件下的氮化鈦納米桿的拉伸過程均包括彈性變形、塑性變形與斷裂階段。[100]晶向的彈性模量都要高于[111]晶向。
　　3)對(duì)于TiN多晶材料而言,晶粒及晶界的不同運(yùn)動(dòng)機(jī)制對(duì)屈服強(qiáng)度產(chǎn)生了重要影響。在拉伸仿真過程中

5、,屈服強(qiáng)度隨著晶粒尺寸的變化出現(xiàn)正、逆Hall-Petch關(guān)系;在壓縮仿真過程中,晶界處的變形機(jī)制使壓縮過程的屈服強(qiáng)度隨晶粒尺寸增大而增大,最后屈服強(qiáng)度值趨于穩(wěn)定。對(duì)拉伸及壓縮過程中的結(jié)果進(jìn)行比較分析,最終得出結(jié)論,TiN多晶體平均晶粒尺寸在3nm到5nm之間時(shí),可以使材料的硬度達(dá)到最高。拉伸及壓縮過程中,臨界晶粒尺寸、高應(yīng)變率、低溫可以促進(jìn)多晶材料的強(qiáng)化,晶界的強(qiáng)度是影響TiN多晶體強(qiáng)度的重要因素。因此如果在晶界附近摻雜其他元素來強(qiáng)化