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《湘潭大学》 2010年
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纳米材料弹性及热稳定性的尺寸效应

刘心娟  
【摘要】: 在纳米尺度范围内,微观的第一性原理和分子动力学以及宏观的连续介质力学在分析纳米材料弹性和热稳定性尺寸效应时均遇到了不同程度的困难和挑战。因此,人们迫切需要寻找新的理论模型预测和分析纳米材料杨氏模量升高而熔点降低的新颖现象,并揭示其内在物理机制。由于大量低配位表面原子间的相互作用,使得纳米材料的性能完全不同于孤立原子和块体材料。本论文探讨了几种典型纳米材料如ZnO、TiO_2、Ag、Au等弹性和热稳定性的尺寸效应。具体工作和结论概括如下: 1.从局域键平均近似的角度出发探讨了半导体ZnO纳米结构弹性性能与尺寸的依赖关系,发现:(i)杨氏模量正比于能量密度;(ii)杨氏模量随尺寸的变化只存在一种趋势,即随尺寸的减小,杨氏模量增加;(iii)比表面积主导着尺寸效应的变化趋势;(iv)纳米材料只有最外三层原子对杨氏模量的尺寸效应起主导作用,而中心原子的键保持块体值,对杨氏模量的尺寸效应没有影响;(v)纳米材料低配位原子的键变短变强,从而导致能量密度升高是杨氏模量增加的主要原因。同时,断键理论也很好的预测和分析了TiO_2、Ag、Au纳米材料弹性性能的尺寸效应。 2.从表面原子间结合能的角度出发探讨了Ag、Au等金属纳米材料的低熔点现象,发现:纳米材料低配位表面原子的键长变短;键能增强;但原子间的结合能降低,这是导致纳米材料熔点降低的主要原因。同时,断键理论也很好的预测和分析了Pb、In、Bi金属纳米材料的低熔点现象。 理论与实验的一致性证明了低配位原子的键变短变强,进而导致能量密度升高而原子间结合能降低,这主导着纳米材料弹性和热稳定性的尺寸效应。断键理论是研究纳米材料弹性性能和热稳定性尺寸效应的有效途径,也是连接宏观理论方法与微观理论方法的桥梁。
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