納米材料和器件物理力學(xué)性能的一些分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、通過近幾十年來對(duì)納米材料的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)納尺度的許多物質(zhì)都會(huì)表現(xiàn)出奇特的物理、化學(xué)、力學(xué)性能，這些特性預(yù)示著納米材料會(huì)在不遠(yuǎn)的將來改變?nèi)祟惖纳?。由于納米材料的力學(xué)行為與傳統(tǒng)宏觀及傳統(tǒng)微觀材料都有很大的差異，深入研究并充分認(rèn)識(shí)納米材料全新的力學(xué)特性對(duì)于納米器械的設(shè)計(jì)、納米機(jī)電系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用是必不可少的。分子動(dòng)力學(xué)方法以其使用方便、成本較低、結(jié)果直觀的優(yōu)勢(shì)成了研究納米材料力學(xué)性能的重要工具之一。本文用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬研究了納米石墨晶

2、體的高壓相變、納米碳管的徑向力學(xué)性質(zhì)、納米碳管的旋轉(zhuǎn)摩擦特性、納米碳管振蕩器和納米碳管軸承的工作機(jī)理以及納米銅晶體的力學(xué)行為。主要研究?jī)?nèi)容與學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下： 1）研究了納米石墨晶體在均勻單向壓力與非均勻壓力兩種不同壓力作用下的相變機(jī)制，闡明了應(yīng)力水平對(duì)相變的影響。在平板提供的c 向均勻壓力作用下，～3GPa 的壓力就會(huì)使鄰近的石墨層間產(chǎn)生新的σ鍵，部分石墨轉(zhuǎn)變?yōu)楹衧p2 與少量sp3 雜化的無定型碳相。但是這種無定型碳結(jié)構(gòu)很不穩(wěn)

3、定，隨著壓縮變形量的增大無定型相會(huì)轉(zhuǎn)換回石墨相。在壓力增大到～400GPa 時(shí)，石墨層由平層轉(zhuǎn)變?yōu)檎矍鷮?，并且各石墨層自?dòng)調(diào)整為ABC 堆垛順序，形成介于菱方石墨與立方金剛石之間的中間過渡結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓力繼續(xù)增加到800GPa 以上時(shí)，石墨內(nèi)重新產(chǎn)生層間σ鍵，至～ 900GPa 時(shí)層間σ鍵快速增多，形成高壓下的立方金剛石結(jié)構(gòu)，并且卸載后這些層間σ鍵不能全部消失，從而得到具有金剛石結(jié)構(gòu)的持久的超硬碳相。在球形壓頭提供的非均勻壓力作用下

4、，當(dāng)壓力增大到～36GPa 時(shí)，石墨晶體內(nèi)才出現(xiàn)第一個(gè)層間σ鍵。隨著壓力的增大，新的層間σ鍵不斷出現(xiàn)，形成復(fù)雜的無定型碳相，在壓應(yīng)力達(dá)到～100GPa 時(shí)，石墨中的無定型碳相就轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰玫慕饎偸Y(jié)構(gòu)。 2）提出了一種通過分子動(dòng)力學(xué)模擬確定層狀納米材料硬度的方法，基于這種方法研究了納米碳管的徑向力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)納米碳管的徑向變形可以分為剛度和硬度都非常小的軟彈性變形階段和剛度大得多的硬彈性階段以及變形無法恢復(fù)的塑性變形階段。在軟彈性

5、階段，碳管可以承受非常大的徑向變形而徑向硬度只有6～15GPa。當(dāng)碳管的層間距減小到～1.9以下，碳管迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕雀哌_(dá)90GPa 以上的無定型結(jié)構(gòu)，并且這種無定型相可以在卸載后恢復(fù)為初始的碳管。當(dāng)三壁碳管承受的非均勻壓力超過～94GPa 后，碳管內(nèi)出現(xiàn)所謂的塑性變形，其特征是產(chǎn)生大量無法還原的sp3 甚至sp 雜化，碳管的初始構(gòu)型被徹底破壞并轉(zhuǎn)變?yōu)橛捕雀哌_(dá)120GPa 的持久超硬相。研究結(jié)果與PNAS 同時(shí)期報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

6、 而研究所發(fā)現(xiàn)的碳管的徑向超彈性和超硬度的特性對(duì)碳管在強(qiáng)沖擊、超高壓等特殊環(huán)境下的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。 3）針對(duì)高速納米器械的計(jì)算機(jī)模擬，以納米碳管振蕩器為例提出了分離原子機(jī)械運(yùn)動(dòng)與熱運(yùn)動(dòng)的控溫算法，并用這種控溫方法研究了納米碳管軸承的工作機(jī)理，探討了雙壁碳管的層間旋轉(zhuǎn)摩擦性能。研究結(jié)果表明碳管的層間旋轉(zhuǎn)摩擦是軸承轉(zhuǎn)速、直徑、柔韌性、溫度等多種因素的綜合表現(xiàn)。轉(zhuǎn)速增加會(huì)引起內(nèi)管原子承受的離心力增加及碳管層間距減小，使得層間相互作

7、用加強(qiáng)、摩擦增加；離心力和熱運(yùn)動(dòng)都會(huì)激發(fā)碳管的柔性變形從而極大地增加碳管的旋轉(zhuǎn)摩擦；直徑大的碳管旋轉(zhuǎn)時(shí)要承受更大的離心力，并且大直徑的碳管徑向剛度比小直徑碳管的低，因此大直徑碳管軸承內(nèi)的摩擦相對(duì)較大。研究還發(fā)現(xiàn)在低速旋轉(zhuǎn)階段，碳管的層間摩擦極低，納米軸承表現(xiàn)出超潤(rùn)滑、無磨損的優(yōu)異性能。 4）對(duì)納米銅晶體的力學(xué)行為尤其是晶界與空穴對(duì)銅晶體力學(xué)性能的影響作了初步的研究。研究發(fā)現(xiàn)納米銅晶體中晶界對(duì)空穴沿界面的擴(kuò)展起促進(jìn)作用，但同時(shí)又在