纳米复合材料力学性能的分子动力学研究

admin · 发表于 2024-1-27 16:41:36

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随着科学技术的发展，纳米技术和纳米材料已经被广泛应用于能源、航空和航天等领域，因此，对纳米材料力学性能的研究具有非常重要的理论和实用价值。在纳观尺度下，材料力学性能与宏观材料有明显的差别，纳米材料的尺寸效应、表/界面效应、温度效应、应变率效应，位错间的相互作用，以及缺陷的动态扩展演化过程等，已经成为当前纳米力学研究所共同关心的热点题目。基于此，本文主要通过理论分析和分子动力学模拟的方法，探讨了Cu/Ni多层纳米线以及纳米多孔铝材料力学性能的尺寸效应、表/界面效应和温度效应。主要研究工作包括：1. 利用分子动力学方法(Molecular Dynamics，MD)具体研究了单金属层厚度对Cu/Ni多层复合结构纳米线力学性能及其变形机制的影响。结果表明，存在一个最优尺寸，会使材料的力学性能达到最优。此外，还分析了不同界面结构对Cu/Ni多层纳米线的强度和塑性变形机制的影响。2. 为了深入了解表/界面对纳米复合材料性能的影响，本文还分别从理论和数值模拟的角度，利用广义自洽方法(General self-consistent method，GSCM)和MD方法，研究了表/界面弹性和表/界面残余应力对纳米多孔铝材料等效弹性模量的影响，并分析了表/界面效应对塑性变形机制的影响。结果发现，表/界面残余应力是导致纳米材料具有表/界面效应的主要原因。另一方面，当多孔材料内部孔的半径在1~10 nm的范围时，纳米多孔铝材料的比表面积急剧增加，此时，表/界面效应甚至对材料力学性能起到主导作用。此时，基于连续介质力学的理论方法已经不能很好地预测材料的性能，这也是本文利用分子动力学模拟方法研究纳米材料力学性能的一个主要原因。3. 本文基于热激活理论，结合MD模拟的方法，研究了温度对Cu/Ni多层纳米线的强度、刚度以及变形机制的影响。研究结果表明，激活体积是导致纳米材料的温度效应与宏观材料在相同条件下具有不同响应的根本原因。

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