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低维单晶金属纳米材料极端荷载下力学行为的计算模拟

江山  
【摘要】:金属纳米颗粒与金属纳米线等低维纳米材料在纳米器件中发挥着越来越重要的作用。同时,它们的结构形态、组合方式也在纳米材料加工成型、纳米含能材料的爆轰等过程中起到了关键作用。研究这一类低维纳米材料在极端荷载下的力学响应对深入了解材料物性、提高纳米器件的设备性能、以及实现含能材料可控能量释放等多方面研究具有重要意义。 基于分子动力学模拟和局部原子晶格结构分析方法,本文主要研究了低维金属单晶纳米材料在高升温率激光照射、高速组合加载以及瞬态冲击等极端荷载下的力学行为与变性特征;自主开发了一套用于纳米单晶模拟计算的前处理建模应用程序——Space Lattice Construction Nanobuilder (SLC Nanobuilder) v1.2,并根据当前领域的研究热点,建立了双颗粒相互作用模型,一维纳米线组合加载及冲击模型,纳米颗粒—梁冲击模型以及纳米梁—梁冲击模型。 对于金属纳米颗粒的烧结作用,研究发现:实心和空心纳米颗粒的固态烧结现象在室温条件下均会自发产生,快速颈部生长期的主要变形机理为稳定层错或瞬态层错的形成;同时,颗粒的机械旋转也是固态烧结过程中的一个重要特征。纳米颗粒的激光烧结过程可分为相对稳定期,过渡期和熔融期三个阶段。本文通过对比颈部生长宽度和均方位移曲线,验证了不论实心颗粒还是空心颗粒,在同一升温率下其熔化温度都随着颗粒尺寸的增大而增大。此外,本文还发现了空心颗粒激光烧结过程中一个非常有趣的现象,即超高升温率下过渡阶段末期发生了反转的“颈部生长—温度”(N-T)关系。这种现象与实心颗粒具有很大不同,揭示出颗粒的几何形态会对烧结过程产生重要影响。本文进一步利用局部原子晶格分析方法解释了这一现象的形成机理:空心颗粒因其较大的比表面积使得表面原子迁移更加显著,因而更易进行充分熔融。低升温率下空心颗粒早期颈部生长阶段主要以晶格滑移引起的塑性变形为机理,而后期预熔阶段则以面心立方向密排六方结构转化为主要机理。高升温率下这种晶格转化依然存在,但在总体结构中所占比例非常微小,剧烈的表面扩散和预熔现象加快了空心结构在较低温度下的迅速坍塌。 针对高速拉扭组合加载作用下金属纳米线的动态变形过程,本文分别建立了“预拉伸—扭转”和“预扭转—拉伸”两种加载路径模型,比较和讨论了材料的变形机理。研究结果表明:两种情况下的弹性预加载过程都会对后继加载过程中材料抵抗塑性变形的能力产生明显的削弱作用,耦合的温度与预加载效应会加速材料弹性向塑性的转变;而低温下纳米线杨氏模量的变化对预扭转加载路径的依赖并不明显。五折形变孪晶结构在预扭转—拉伸作用下被大量地观测到,验证了加载路径对其形成机制的重要影响。研究结果还显示,五折孪晶主要发生在局部应力较高的颈缩区域,较高的应力值和加载方向的变化是促使其发生的必要条件。在达到了一定的尺寸之后,纳米线横截面的几何形状以及温度效应对形成五折孪晶的影响并不明显。在单晶金属纳米线中,五折孪晶迄今为止还没有在单轴拉伸或者低预扭转角—拉伸等情况下发现,而在较大预扭转角的后继拉伸作用下,本文却发现了许多五折孪晶的形成。这说明了预剪切状态导致的晶格扭曲在后继单向拉伸中引起了较为复杂的应力状态,从而促使了五折孪晶的发生。 进一步地,本文研究了瞬态冲击下一维金属纳米结构的力学响应。纵向冲击作用下纳米棒中的波速随着纳米棒横向尺寸的增加而增加,并且最终趋近于周期性横向无限大尺寸的模拟试样。小尺寸纳米棒中较大的比表面积导致了波速的减小;除了自由表面对波速的影响之外,杨氏模量随纳米线尺寸的变化也是小尺寸纳米棒中波速减小的原因。模拟计算还发现并确立了小尺寸纳米棒晶格方向转化的微观机制,即100/{100}纳米棒向110/{111}纳米棒的完全转换;大尺寸纳米棒并没有发生这种晶格方向的完全转变,取而代之的是交叉层错机制。此外,本文同时也观测到了尺寸效应下材料由晶向转变机制到大规模交叉层错机制的过渡。 最后,本文建立了单晶金属纳米梁的横向冲击模型。研究表明:在特定的比例尺寸与冲击速率下,纳米梁可因冲击荷载而引发弯曲振动行为。如果增加长度比或冲击速率,弯曲振动将明显减弱,同时材料会出现大量位错的形核与运动,导致弯曲挠度增大进而发生严重的塑性变形,并可发生颈缩、断裂和线性原子链的成形。冲击速率效应与比例效应对五折孪晶纳米梁有着相似的影响,但因其固有孪晶结构对分位错的阻隔作用,二者的材料变形模式具有很大不同。本文还第一次从模拟的角度观测到了一种新颖的纳米线结构变形模式—“多联生五折孪晶”结构。该结构的形成表明纳米梁中固有的五折孪晶结构可以促进纳观尺度下大量次生孪晶的形成。横截面上冲击压力的峰值随着冲击物高度尺寸的减小而减小。小尺寸冲击下,冲击面附近均匀形成的无序原子结合更快,使材料更接近于无定形态的特性,峰值应力也越小。随着激波的深入,层错会在波阵面后大量产生,并不断向结构内部扩展。计算表明,这些面缺陷的瞬态等效温度要远远高于周围面心立方晶体,相当于在材料内部形成了许多局部化的“高温度区”,从而促使了材料的失效。


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