填充型方鈷礦納米薄膜的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、隨著清潔能源受到重視，利用熱電效應(yīng)進行能量轉(zhuǎn)換的熱電材料也越來越受到廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有科研成果顯示納米尺度的單原子及多原子填充的填充型方鈷礦CoSb3已經(jīng)成功制備，并且熱電性能有所提升。填充型方鈷礦CoSb3作為一種重要的中溫區(qū)熱電材料，一方面其服役環(huán)境難以避免的會經(jīng)受循環(huán)熱載荷和循環(huán)機械載荷，另一方面，為了提高材料的熱電性能，顯著減小某一方向的尺寸即低維納米化和使用其他材料進行填充會使材料的力學(xué)和熱學(xué)性能改變，所以研究低維納米化和填充后

2、的CoSb3的力學(xué)和熱學(xué)性能對此種材料得到廣泛應(yīng)用具有十分重要的指導(dǎo)意義。因為低維納米化后和其他材料填充后的材料在實際試驗中比較難以測量其力學(xué)和熱學(xué)性能，并且難以解釋性能變化的原因，所以我們使用分子動力學(xué)模擬方法對材料進行模擬研究。
　　本文使用Fortran語言編寫分子動力學(xué)模擬程序，目的是研究填充型方鈷礦CoSb3在低維納米化及有Ti原子填充時力學(xué)和熱學(xué)性能的變化。首先建立晶體模型，使用Morse勢函數(shù)描述材料內(nèi)部原子之間的相

3、互作用，模擬塊狀CoSb3單質(zhì)的平衡態(tài)，觀察到系統(tǒng)內(nèi)能量守恒，驗證了晶體模型和分子動力學(xué)程序的正確性。然后模擬塊狀CoSb3單質(zhì)拉伸模擬，對比現(xiàn)有力學(xué)性能數(shù)據(jù)確認拉伸模擬方法部分的正確性。在保證材料晶體模型和分子動力學(xué)模擬程序的正確性后，進行對薄膜材料以及填充狀態(tài)材料的模擬。
　　本文模擬了三種情況納米薄膜拉伸力學(xué)性能，分別是單質(zhì)狀態(tài)下不同厚度、薄膜厚度固定但Ti填充量不同和Ti填充量固定但厚度改變時CoSb3納米薄膜。在薄膜的拉

4、伸模擬過程中，通過周期邊界和上下固定粒子模擬薄膜面向無限尺寸，改變自由邊界的粒子層數(shù)來改變納米薄膜的厚度。在單質(zhì)和固定Ti填充量時，拉伸力學(xué)性能均隨薄膜尺寸減小而減小，并且減小速率加快；在填充位置為籠狀空隙，而且Ti填充量增加時，拉伸力學(xué)性能增加，并且在每個晶格兩個Ti原子時提高最多。
　　本文模擬了兩種條件改變下導(dǎo)熱系數(shù)的變化，分別是單質(zhì)CoSb3在不同薄膜厚度時和固定Ti填充量不同薄膜厚度時導(dǎo)熱系數(shù)的變化，使用NEMD方法計算