計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算鈦鋁金屬間化合物和儲(chǔ)氫碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能.pdf

1、 摘 要 - 旦日 口旦旦 旦 旦 旦 旦 曰口旦 旦 旦 巴 旦 旦 旦 . 口 . . . 巨旦 旦 旦 旦 旦 里日 . 口 巨 旦 旦 旦 旦 旦 口 . 巨 口 旦旦 里 曰 曰 . . 里 旦 旦 互 里 日 . . 巨 . 旦 旦 旦 旦里 日 口 巨 旦 旦 旦 旦 旦 組摘 要1 . T i A l 的界而結(jié)構(gòu)與形變特征對(duì)金屬間化

2、合物這類具 有界面本征脆性的材料而言， 了 解其界面結(jié)構(gòu)及界面行為特征， 對(duì)于我們研究和改善其室 溫脆性行為有著重要的 意義。 T i A l 作為 最具潛力的 新一代高 溫結(jié)構(gòu)材料， 具有金屬間化合物的典型特征。 然而目 前， 除了一些象孿晶這樣最簡(jiǎn)單的晶界外， 人們對(duì)T i A l 的界面結(jié)構(gòu)與形變特征了 解得很少，更 談 不上 系 統(tǒng)的 研究。 本文 應(yīng) 用分 子 靜 力 學(xué) 研 究了T i A l 1 1 1 0 1 傾 斜晶

3、 界的 界 面結(jié)構(gòu) ，分 析 了形 變 孿 晶 的 形核 長(zhǎng) 大 機(jī) 理 ， 并 用 分 子 動(dòng) 力 學(xué) 模 擬 了( 1 1 5 ) ( 1 1 0 ) / { 川 } ( 1 1 0 ) 晶 界 及孿晶界、 偽孿晶， 旋轉(zhuǎn)疇界， y l a 2 相界的拉 伸形變過程 的結(jié)果總結(jié)如下分子靜力學(xué)， 我們首次 模擬了T i A 1 1 1 1 0 ] 對(duì)稱傾斜晶界的界面結(jié)構(gòu)發(fā) 現(xiàn) T i A I [ 1 1 0 ] 對(duì) 稱 傾 斜晶 界

4、可由 四 種結(jié) 構(gòu) 單 元 構(gòu) 成。 每 一 種 結(jié) 構(gòu) 單 元因 原 子占位及取向 不同 又有數(shù)種變體。 結(jié)構(gòu)單元的空間 取向 之所以 有多 種是因?yàn)閱伟嬖赾 / a 比 的 緣 故 . 根 據(jù) 四 種 典 型 的 晶 界 ， x 1 1 ( 1 T 3 ) , E 3 ( 1 T 2 ) , E 3 ( 1 T 1 ) 與E 9 ( 2 1 1 ) ,我 們 將T i A I [ 1 1 0 ] 對(duì)稱 傾斜晶 界

5、劃分為5 組。 不同 的 組 之間 對(duì)應(yīng)著不同的 界面結(jié)構(gòu)特征。( 2 ) 通過Y · 能量面的分析， 發(fā)現(xiàn)x 3 ( 1 T 1 ) / [ 1 1 0 ] 孿晶的 滑移的優(yōu)先取向?yàn)椤?丁 1 2 ] 。 在 適當(dāng) 方向 的 切 應(yīng) 力 作 用 下， 這 種滑 移 可以 通 過 不斷改 變孿晶 面的 位 置而產(chǎn)生遠(yuǎn)程傳遞， 從而有益于T i A l 的塑性形變。 對(duì)于目 前存在爭(zhēng)議的平移孿晶，我 們的 模擬 結(jié) 果 表明

6、， 在T i A l 中 它 可以 以 亞 穩(wěn) 態(tài)的 形 式 存 在， 其 平 衡 位置 沿 [ 1 1 2 ]方向與晶體學(xué)位置有一個(gè)小的 偏移。( 3 ) 通 過 對(duì) 滑 移 能 壘 的 分 析， 我 們發(fā) 現(xiàn)， 由 一 個(gè)內(nèi) I s 層 錯(cuò)擴(kuò) 展 形成 孿晶 所 需的 切 應(yīng) 力小 于 在完 整晶 體中 形 成內(nèi) 察 層錯(cuò)， 或由 內(nèi) 察 層錯(cuò) 擴(kuò) 展形 成 h c p 一 型 T i A l相。 這也在一定程度上說明了 孿晶 在T

7、 i A l 形變中的重要性。( 4 ) 對(duì) { 1 1 5 1 ( 1 1 0 ) / ( 1 1 1 ] ( 1 1 0 ) 非 對(duì) 稱晶 界 的 模 擬 表 明 ， 結(jié) 構(gòu) 單 元 模 型 不 僅 適 用對(duì) 稱品 界， 也適 用于非對(duì) 稱品 界。 該結(jié)果 還得到了 高 分辨觀 察的 驗(yàn)證。 界面能的( 1 ) f i l l 對(duì) 于 官 A I 的 八 面 體 間 隙 ， 從 能 量 上 來 看， 0 , N 在 T i A

8、l 中 更 優(yōu) 先 地 處 于富 T i 的八面 體間隙中;( 2 ) 0 或 N 的 加 入 減弱了 T i A l 中 第一 近 鄰方向 的 T i - 3 d / T i - 3 d 與 T i - 3 d / A 1 - 3 p方向 鍵， 而增加了 第二近鄰方向 的 T i - T i 鍵;( 3 ) 雜 質(zhì) 元 素。 或N 通 過 電 子 雜 化X ( O 或N ) - 2 p / T i - 3 d 和X - 2 p /

9、A l - 3 p 與 其 周圍的原子一起形成一個(gè) “ 硬” 結(jié)合區(qū); 該區(qū)可能做為一個(gè)位錯(cuò)釘扎中心而影響材料的力學(xué)性能。3 . 氫對(duì)納米碳管力學(xué)性能的 影響我們知道對(duì)于金屬基材料來說，氫的吸收往往導(dǎo)致形成脆性的金屬氫化物，而不利于材料本身的力學(xué)性能。 一個(gè)有趣的問 題是， 既然納米碳管本身同時(shí)可用于結(jié)構(gòu)材料與儲(chǔ) H材料， 那么， 存儲(chǔ)于納米碳管中的氫本身對(duì)納米碳管的力學(xué)性能 是否有影響呢? 如果有， 在 C - H這樣的 一個(gè)共價(jià)體系

10、中，又是怎樣的一種機(jī)理呢? 據(jù)我們所知， 目 前沒有這方面的研究。 我們應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)方法及鍵序勢(shì) ( B o n d o r d e r p o t e n t i a l ) 模 擬了 單 壁 納 米 碳管 ( S W N T ) 在 儲(chǔ)氫 前與 儲(chǔ) 氫 后的 力 學(xué) 性能，以了 解氫對(duì)納米碳管力學(xué)性能的 影響。 主要結(jié)果如下:( 1 ) 從 S W N T的 開 始 拉 伸 變 形到出 現(xiàn) 縮 頸， 可 分為 兩 個(gè) 階段，