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凝聚过程中原子堆砌模式及其演化的计算机模拟

张景祥  
【摘要】:本实验室在液态与非晶态金属玻璃微观结构方面的实验研究和计算机模拟研究获得了国内外同行的广泛认同,本课题在继承已有研究的基础上,专门对原子堆砌的演化做了系列研究。同素异形体的概念让人们意识到:原子堆砌方式决定着材料的结构,而结构的差异往往决定了材料物性的重大差异。富勒烯C60和碳纳米管的发现,让人们对原子堆砌赋予了更多的意义。原子堆砌模式在凝聚过程中研究的不足,主要是囿于当时落后的研究技术和研究手段。一是高温下的实验研究相对困难,二是理论研究发展还不成熟。 随着科学技术的发展,人们现在可通过多种途径对液态结构进行研究,并相互印证和互为基础。直接测试、物性推测、理论计算三类研究途径建立起了相互参照的经验与理论,理论计算可以与实验测试进行很好的比对,同时理论计算可以获得直接实验很难测定的某些微观结构单元的信息,这有助于人们搞清凝聚过程的内在机制。 本课题利用蒙特卡罗随机行走拟合方法,以双体分布函数为依据,建立了贵金属Ag-Rh合金的有效作用势模型。双体分布函数可以通过结构因子经过傅立叶变换得到,而结构因子可以通过X衍射实验数据得到。这意味着只要解决从双体分布函数获得作用势,就可以直接从实验获得作用势。因此,该作用势函数能有效地反映特定材料的势场模型,为进一步研究二元与多元合金金属液态与非晶态的微观原子堆砌打下了基础。 利用倒向蒙特卡罗方法,揭示了液态金属到金属玻璃过程中原子的二十面体等紧密堆积堆砌方式对金属玻璃形成的影响以及在凝聚过程中的演化特性。二十面体团簇阻碍了熔体的形核,它的存在提高了熔体的非晶形成能力,对金属玻璃的理解提供了更加丰富的信息,为金属玻璃的制备指出了在微观结构上的必要条件。 运用正向分子动力学模拟方法研究了非金属纳米线,发现纳米线原子在碳纳米管中存在不同的堆砌模式,这些堆砌模式对材料的物性有显著的影响,其中螺旋堆砌是材料演化生长过程中一种重要的堆砌模式;探讨了直线堆积与螺旋堆积对纳米尺度下电学性质的影响,为纳米电子器件的设计与应用提供了一些理论基础。 通过对纳米尺度下磷与硅在碳纳米管影响下的凝固研究,发现在异质形核过程中,异质核心对熔体中原子的堆砌模式有强烈的影响,其凝固组织与异质核心具有强烈的结构关联性。磷与硅受碳纳米管强势结构的影响,凝聚成与中心碳纳米管结构同心的年轮管状原子堆砌结构,作为熔体的磷硅原子表现出向强势杂质核心碳纳米管结构发生同构的倾向。


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