非晶態(tài)二氧化硅的拉伸變形行為與微觀機(jī)理.pdf

1、硅藻是一類生活在水環(huán)境里的單細(xì)胞、光合作用浮游生物。主要由非晶態(tài)SiO2構(gòu)成的硅藻殼壁,形式獨(dú)特多樣,具有從納米到微米尺度的、復(fù)雜的多層次孔洞結(jié)構(gòu)。因殼壁結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)和傳輸特性,正日益受到人們的關(guān)注和重視。
　　非晶態(tài)SiO2是自然界大量存在的脆性材料,處于體相狀態(tài)的非晶態(tài)SiO2,一旦初始裂紋擴(kuò)展就很容易失效,且在其斷裂過(guò)程中只吸收很少的能量。但是,最近的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算發(fā)現(xiàn),在微納尺度下,主要由非晶態(tài) SiO2構(gòu)成的硅藻

2、殼壁,盡管存在多孔洞排列的結(jié)構(gòu),卻表現(xiàn)出很好的力學(xué)特性,具有很高的剛度和斷裂韌性,其取值甚至可以與廣泛使用的工程材料處于相同范圍。
　　本文基于ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng),在微納尺度下,應(yīng)用大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)方法,模擬了非晶態(tài)SiO2塊體結(jié)構(gòu)和非晶態(tài)SiO2薄片孔洞結(jié)構(gòu)的單軸拉伸變形-斷裂過(guò)程;研究了微觀結(jié)構(gòu)及尺寸對(duì)非晶態(tài) SiO2力學(xué)特性的影響,揭示了結(jié)構(gòu)的微觀變形機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　?、俅_定了通過(guò)熔融-淬火過(guò)程來(lái)制備模型

3、,并制備了模擬所需的非晶態(tài) SiO2樣本;確定了拉伸變形-斷裂過(guò)程的模擬方法。
　?、谀M了非晶態(tài) SiO2塊體結(jié)構(gòu)在不同長(zhǎng)度尺寸下的單軸拉伸變形-斷裂過(guò)程,研究了尺寸對(duì)非晶態(tài)SiO2塊體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。應(yīng)力-應(yīng)變行為顯示,小尺寸模型表現(xiàn)出了比大尺寸模型更好的極限強(qiáng)度、塑性和韌性;對(duì)系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)演變的分析,揭示了局部區(qū)域空洞的聚集和擴(kuò)展導(dǎo)致了模型斷裂,同時(shí),小尺寸模型微結(jié)構(gòu)更大的不可逆的變形,導(dǎo)致小尺寸模型發(fā)生脆性到延性的轉(zhuǎn)變,

4、使得其表現(xiàn)出了比大尺寸模型更好的極限強(qiáng)度、塑性和韌性。
　?、勰M了非晶態(tài) SiO2薄片孔洞結(jié)構(gòu)的單軸拉伸變形-斷裂過(guò)程。研究了薄片長(zhǎng)度和孔洞直徑對(duì)非晶態(tài) SiO2薄片孔洞結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響。分析結(jié)果表明,對(duì)于同一長(zhǎng)度尺寸的薄片,塑性區(qū)間、韌性、極限應(yīng)力和失效應(yīng)變等都隨徑長(zhǎng)比的增大而逐漸減小;而在相同徑長(zhǎng)比下,較小尺寸模型表現(xiàn)出比較大尺寸模型更好的力學(xué)特性。對(duì)原子構(gòu)型演變和等效Von Mises應(yīng)力分布的分析,發(fā)現(xiàn)較小尺寸模型的拉