填充型方鈷礦納米薄膜的分子動(dòng)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(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的熱電材料也越來(lái)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(huì)經(jīng)受循環(huán)熱載荷和循環(huán)機(jī)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(jìn)行填充會(huì)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(duì)此種材料得到廣泛應(yīng)用具有十分重要的指導(dǎo)意義。因?yàn)榈途S納米化后和其他材料填充后的材料在實(shí)際試驗(yàn)中比較難以測(cè)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(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)材料進(jìn)行模擬研究。
　　本文使用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)分子動(dòng)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(shí)力學(xué)和熱學(xué)性能的變化。首先建立晶體模型，使用Morse勢(shì)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(yàn)證了晶體模型和分子動(dòng)力學(xué)程序的正確性。然后模擬塊狀CoSb3單質(zhì)拉伸模擬，對(duì)比現(xiàn)有力學(xué)性能數(shù)據(jù)確認(rèn)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(dòng)力學(xué)模擬程序的正確性后，進(jìn)行對(duì)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(shí)CoSb3納米薄膜。在薄膜的拉

4、伸模擬過(guò)程中，通過(guò)周期邊界和上下固定粒子模擬薄膜面向無(wú)限尺寸，改變自由邊界的粒子層數(shù)來(lái)改變納米薄膜的厚度。在單質(zhì)和固定Ti填充量時(shí)，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(shí)，拉伸力學(xué)性能增加，并且在每個(gè)晶格兩個(gè)Ti原子時(shí)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(shí)和固定Ti填充量不同薄膜厚度時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)的變化，使用NEMD方法計(jì)算