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《山东大学》 2009年
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镍纳米线的结构及其力学性能

彭传校  
【摘要】: 对一维纳米线结构的研究是探讨纳米线其他性能的一个重要前提。随着纳米线在微电机系统、纳米机械、纳米增强材料等领域的应用和推广,对纳米线机械性能的探索具有很重要的意义。而一维纳米结构,如纳米线、纳米管及纳米碳管等因其结构微小、实验较困难,使得分子动力学模拟被广泛应用于纳米线的结构和性能的研究中。本文以分子动力学模拟作为研究手段,探讨了镍纳米线的结构及其力学性能。 对于尺寸较大的镍纳米线,能保持宏观状态下的面心立方结构(FCC),但对于不同晶向、不同自由表面的FCC结构,其能量和性质不尽相同。我们模拟了不同尺寸的FCC<001>、<110>、<110>{111}和<111>晶向的镍纳米线,其弛豫后的平均原子能量与收缩率随着纳米线尺寸的增加而减小,对于相同尺寸的镍纳米线而言,<110>{111}结构的平均原子能量与收缩率最低,这主要与表面原子所占的比例及自由表面的晶向密切相关。 不论哪种晶向的镍纳米线,只要自由表面存在非密排面,当尺寸减小到一定程度时,较大的表面应力就会驱使结构转变的发生,形成表面密排的超细纳米线结构。我们通过弛豫退火、拉伸和卷曲组合三种方法探讨了镍超细纳米线的结构。依照超细纳米线表面密排的原则,可以通过卷曲FCC(111)面的三角网格结构构造(m,n)超细镍纳米线,并不是所有构造的(m,n)纳米线都是稳定的,故还得通过能量最小化来获得稳定的纳米线结构。弛豫后,非螺旋的(5,5)和(6,6)纳米线显示了相对较低的结构能;另外对不同横截面形状且径向尺寸较细的FCC结构的纳米线进行弛豫退火,即结构和能量的优化,亦可获得不同的超细纳米线结构,且有很多结构与卷曲组合法获得的相同;在FCC<001>晶向的纳米线拉伸模拟中,颈缩部位形成了较长的(5,5)结构,并证实其是从(6,5)结构转变而来的。我们还尝试探讨了多壳镍纳米线结构,其中(12,6)(6,3)结构较稳定,而螺旋多壳结构中(11,6)(4,2)、(13,7)(6,3)和(14,8)(7,4)弛豫前后结构变化较小,相对也比较稳定。 稳定纳米线结构的力学性能,也是备受关注。我们探讨了镍不同晶向的FCC结构纳米线的尺寸效应,揭示了纳米线的弹性模量、屈服应力和屈服应变等力学参数随着尺寸的变化规律。对镍纳米线的应变率效应研究,是以FCC<001>纳米线为例,当应变率较低时,变形机制主要是滑移变形,且屈服应力和应变基本不变;当施以高应变率拉伸时,其结构将产生非晶转变,且屈服应力也随着应变率的升高而增大。对不同结构的超细镍纳米线进行拉伸模拟,计算了超细纳米线的弹性模量、屈服应力和屈服应变等力学参数,对拉伸变形过程中的原子构型的变化进行了详尽的描述,探讨超细纳米线的变形机理。非螺旋的(5,5)和(6,6)镍纳米线有较高的屈服应力,但塑性较差。而螺旋结构,如(7,4)结构相对就拥有较高的塑性变形能力。纳米线的螺旋特性有助其在拉伸中的塑性变形,其变形是通过减少外壳原子链数m来实现的。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB383.1

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