低維單晶金屬納米材料極端荷載下力學(xué)行為的計算模擬.pdf

1、金屬納米顆粒與金屬納米線等低維納米材料在納米器件中發(fā)揮著越來越重要的作用。同時，它們的結(jié)構(gòu)形態(tài)、組合方式也在納米材料加工成型、納米含能材料的爆轟等過程中起到了關(guān)鍵作用。研究這一類低維納米材料在極端荷載下的力學(xué)響應(yīng)對深入了解材料物性、提高納米器件的設(shè)備性能、以及實(shí)現(xiàn)含能材料可控能量釋放等多方面研究具有重要意義。
　　基于分子動力學(xué)模擬和局部原子晶格結(jié)構(gòu)分析方法，本文主要研究了低維金屬單晶納米材料在高升溫率激光照射、高速組合加載以及瞬

2、態(tài)沖擊等極端荷載下的力學(xué)行為與變性特征;自主開發(fā)了一套用于納米單晶模擬計算的前處理建模應(yīng)用程序——SpaceLattice Construction Nanobuilder(SLC Nanobuilder) vl.2，并根據(jù)當(dāng)前領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，建立了雙顆粒相互作用模型，一維納米線組合加載及沖擊模型，納米顆粒一梁沖擊模型以及納米梁一梁沖擊模型。
　　對于金屬納米顆粒的燒結(jié)作用，研究發(fā)現(xiàn):實(shí)心和空心納米顆粒的固態(tài)燒結(jié)現(xiàn)象在室溫條件下均

3、會自發(fā)產(chǎn)生，快速頸部生長期的主要變形機(jī)理為穩(wěn)定層錯或瞬態(tài)層錯的形成;同時，顆粒的機(jī)械旋轉(zhuǎn)也是固態(tài)燒結(jié)過程中的一個重要特征。納米顆粒的激光燒結(jié)過程可分為相對穩(wěn)定期，過渡期和熔融期三個階段。本文通過對比頸部生長寬度和均方位移曲線，驗(yàn)證了不論實(shí)心顆粒還是空心顆粒，在同一升溫率下其熔化溫度都隨著顆粒尺寸的增大而增大。此外，本文還發(fā)現(xiàn)了空心顆粒激光燒結(jié)過程中一個非常有趣的現(xiàn)象，即超高升溫率下過渡階段末期發(fā)生了反轉(zhuǎn)的“頸部生長一溫度”(N-T)關(guān)系

4、。這種現(xiàn)象與實(shí)心顆粒具有很大不同，揭示出顆粒的幾何形態(tài)會對燒結(jié)過程產(chǎn)生重要影響。本文進(jìn)一步利用局部原子晶格分析方法解釋了這一現(xiàn)象的形成機(jī)理:空心顆粒因其較大的比表面積使得表面原子遷移更加顯著，因而更易進(jìn)行充分熔融。低升溫率下空心顆粒早期頸部生長階段主要以晶格滑移引起的塑性變形為機(jī)理，而后期預(yù)熔階段則以面心立方向密排六方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為主要機(jī)理。高升溫率下這種晶格轉(zhuǎn)化依然存在，但在總體結(jié)構(gòu)中所占比例非常微小，劇烈的表面擴(kuò)散和預(yù)熔現(xiàn)象加快了空心結(jié)

5、構(gòu)在較低溫度下的迅速坍塌。
　　針對高速拉扭組合加載作用下金屬納米線的動態(tài)變形過程，本文分別建立了“預(yù)拉伸一扭轉(zhuǎn)”和“預(yù)扭轉(zhuǎn)一拉伸”兩種加載路徑模型，比較和討論了材料的變形機(jī)理。研究結(jié)果表明:兩種情況下的彈性預(yù)加載過程都會對后繼加載過程中材料抵抗塑性變形的能力產(chǎn)生明顯的削弱作用，耦合的溫度與預(yù)加載效應(yīng)會加速材料彈性向塑性的轉(zhuǎn)變;而低溫下納米線楊氏模量的變化對預(yù)扭轉(zhuǎn)加載路徑的依賴并不明顯。五折形變孿晶結(jié)構(gòu)在預(yù)扭轉(zhuǎn)一拉伸作用下被大量地

6、觀測到，驗(yàn)證了加載路徑對其形成機(jī)制的重要影響。研究結(jié)果還顯示，五折孿晶主要發(fā)生在局部應(yīng)力較高的頸縮區(qū)域，較高的應(yīng)力值和加載方向的變化是促使其發(fā)生的必要條件。在達(dá)到了一定的尺寸之后，納米線橫截面的幾何形狀以及溫度效應(yīng)對形成五折孿晶的影響并不明顯。在單晶金屬納米線中，五折孿晶迄今為止還沒有在單軸拉伸或者低預(yù)扭轉(zhuǎn)角一拉伸等情況下發(fā)現(xiàn)，而在較大預(yù)扭轉(zhuǎn)角的后繼拉伸作用下，本文卻發(fā)現(xiàn)了許多五折孿晶的形成。這說明了預(yù)剪切狀態(tài)導(dǎo)致的晶格扭曲在后繼單向拉

7、伸中引起了較為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，從而促使了五折孿晶的發(fā)生。
　　進(jìn)一步地，本文研究了瞬態(tài)沖擊下一維金屬納米結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。縱向沖擊作用下納米棒中的波速隨著納米棒橫向尺寸的增加而增加，并且最終趨近于周期性橫向無限大尺寸的模擬試樣。小尺寸納米棒中較大的比表面積導(dǎo)致了波速的減小;除了自由表面對波速的影響之外，楊氏模量隨納米線尺寸的變化也是小尺寸納米棒中波速減小的原因。模擬計算還發(fā)現(xiàn)并確立了小尺寸納米棒晶格方向轉(zhuǎn)化的微觀機(jī)制，即<100>/

8、{100}納米棒向<110>/{111}納米棒的完全轉(zhuǎn)換;大尺寸納米棒并沒有發(fā)生這種晶格方向的完全轉(zhuǎn)變，取而代之的是交叉層錯機(jī)制。此外，本文同時也觀測到了尺寸效應(yīng)下材料由晶向轉(zhuǎn)變機(jī)制到大規(guī)模交叉層錯機(jī)制的過渡。
　　最后，本文建立了單晶金屬納米梁的橫向沖擊模型。研究表明:在特定的比例尺寸與沖擊速率下，納米梁可因沖擊荷載而引發(fā)彎曲振動行為。如果增加長度比或沖擊速率，彎曲振動將明顯減弱，同時材料會出現(xiàn)大量位錯的形核與運(yùn)動，導(dǎo)致彎曲撓度

9、增大進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，并可發(fā)生頸縮、斷裂和線性原子鏈的成形。沖擊速率效應(yīng)與比例效應(yīng)對五折孿晶納米梁有著相似的影響，但因其固有孿晶結(jié)構(gòu)對分位錯的阻隔作用，二者的材料變形模式具有很大不同。本文還第一次從模擬的角度觀測到了一種新穎的納米線結(jié)構(gòu)變形模式一“多聯(lián)生五折孿晶”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的形成表明納米梁中固有的五折孿晶結(jié)構(gòu)可以促進(jìn)納觀尺度下大量次生孿晶的形成。橫截面上沖擊壓力的峰值隨著沖擊物高度尺寸的減小而減小。小尺寸沖擊下，沖擊面附近均勻形