基于分子动力学方法模拟硅功能化石墨烯纳米压痕过程

基于分子动力学方法,采用Tersoff势函数与Lennard-Jones势函数,结合速度形式的Verlet算法,首先对单层石墨烯薄膜的分子动力学模型进行了纳米压痕力学过程的模拟.通过模拟得到单层石墨烯薄膜的荷载-位移曲线,并对其进行最小二乘法拟合,得到了单层石墨烯薄膜的弹性模量和强度,通过和已有研究结论进行对比,验证了模型的有效性.最后建立了由双层石墨烯薄膜构成的硅功能化石墨烯分子动力学模型,进行了纳米压痕力学过程的模拟.采用同样的计算方法和过程,得到了硅碳比(硅原子数与碳原子数之比)为0.65%的双层硅功能化石墨烯材料的弹性模量和强度分别为0.98 TPa和247.33 GPa.     

硅功能化石墨烯的分子动力学模型及其弛豫性能

采用Tersoff势函数与LJ势函数,结合速度形式的Verlet算法,建立了有不同手性、不同硅碳比和不同空位缺陷率的两层和三层硅功能化石墨烯的分子动力学数值模型,测算了石墨烯的层间距为0.335 nm。模拟了硅碳比和空位缺陷率分别为1.435%和0%的三层锯齿型硅功能化石墨烯模型的弛豫性能,并利用VMD可视化软件再现了模型的弛豫过程。通过设置两类跟踪原子,归纳和总结了原子在法向振动幅度随着原子坐标的变化规律。     

不同晶格结构纳米金属薄膜的力学性能和破坏属性研究

基于修正的镶嵌原子势,采用分子动力学方法建立多粒子系统模型,研究了面心立方晶格(FCC)和体心立方晶格(BCC)纳米金属薄膜的力学性能和拉伸破坏过程,分析了不同晶格结构纳米金属薄膜在拉伸变形时的能量、应力和构型变化过程,得到纳米单晶镍和α-铁薄膜的弹性模量、断裂强度、屈服强度.模拟表明FCC薄膜的拉伸断裂符合Griffith断裂理论;BCC薄膜的断裂过程有较长屈服阶段,自由表面对初始弹性模量的软化作用明显.     

Cr/Al双层纳米薄膜的力学性能测试及其仿真分析

采用纳米压痕仪测量Cr/Al双层纳米薄膜的力学性能,结合有限元仿真的手段对压痕测试进行模拟.通过实验测出了双层膜的弹性模量值和硬度值随着压深h的不同而表现出一定的变化规律,以及得出了溅射时由于核能粒子的轰击而形成的界面层的厚度及其力学性能特征.有限元仿真是对纳米压痕实验的补充,找出了应力主要集中在压头附近的区域,并且发现了最大应力主要集中在双层膜的下层Al膜中,而非上层膜Cr膜中.     

石墨烯薄膜的电迁移损伤演化模拟

石墨烯因其优异的电学性能,被期望成为下一代微电子器件领域中的重要材料。然而电迁移引起的孔洞或丘凸等损伤始终是威胁微电子器件可靠性的因素,因此研究石墨烯薄膜的电迁移损伤及失效变得尤为重要。我们在对石墨烯薄膜的应力迁移和热迁移问题研究的基础上开展了其电迁移损伤演化及失效的研究。本文将采用分子动力学方法,结合Tersoff势函数和速度形式的Verlet算法建立了单层石墨烯薄膜承载过程的理论模型,并对其有效性进行了验证,并模拟记录了石墨烯薄膜的电迁移损伤演化过程及失效特征。通过理论与数值模拟相结合的研究,进一步揭示了石墨烯薄膜电迁移损伤的演化规律与趋势,为微电子器件的设计和优化提供理论和技术参考。     

纳米纤维素-氧化石墨烯层状薄膜的制备与性能

纳米纤维素是具有可再生性、可降解性的天然高分子材料。基于氧化石墨烯优越的物理性能，采用真空抽滤方法制备纳米纤维素-氧化石墨烯高度有序层状结构以提高纳米纤维素薄膜的力学强度和疏水性能。实验结果表明，当石墨烯质量分数为4%时，纳米纤维素-氧化石墨烯层状薄膜的拉伸强度达到最大值204.4 MPa,比原始CNCs薄膜抗拉强度提升58.8%。层状薄膜的弹性模量随氧化石墨烯质量分数的增加呈现先增加后降低的趋势。通过对层状薄膜进行微观形貌分析和动态热机械性能分析验证了力学试验结果的准确性。对纳米纤维素薄膜和纳米纤维素-氧化石墨烯层状薄膜的接触角进行测定，发现由于纳米纤维素的氢键网络与氧化石墨烯表面游离羟基之间的相互作用，层状薄膜的疏水性能显著提升。     

残余应力对固体氧化物燃料电池弹塑性性能的影响

半电池结构NiO-YSZ/YSZ由于弹性模量不同和热膨胀系数不匹配,导致烧结过程中产生残余应力. 残余应力对于燃料电池的性能和使用带来一定的影响, 本文把残余应力引入到计算薄膜性能的逆向分析模型中, 建立了考虑残余应力影响的薄膜的纳米压痕分析模型. 利用纳米压痕方法测试了离双层材料界面不同距离处的载荷-位移曲线和相应的材料性能, 用本文建立的模型计算了不同点的性能的变化, 发现离界面越远, 电解质YSZ薄膜的硬度越大. 将热力分析得到的残余应力场作为压痕模拟的初始应力场, 计算三棱锥压头下压痕载荷-位移曲线, 结果显示考虑残余应力时的载荷-位移曲线更接近实验曲线, 并给出了残余应力下压痕形貌图, 发现有残余应力时的压痕形貌更深更大.     

功能化石墨烯/聚二甲基硅氧烷复合材料及其力学性能的分子动力学模拟

根据分子动力学模拟方法,采用ReaxFF势函数,模拟交联聚二甲基硅氧烷(PDMS)从功能化石墨烯(fG)脱离的过程。计算了拉伸过程中的相互作用能、极限应力、应变等,研究了3种功能基团修饰的石墨烯(羟基(-OH)、氨基(-NH_2)、碳基(-CH_3))对复合材料界面力学性能的影响。结果表明,功能基团的不同对复合材料界面力学性能的影响很大。此外,研究了4种功能化率对界面力学性能的影响,发现特定的功能化率可以明显提高复合材料界面的结合强度。     

基于分子动力学单晶锗的纳米压痕特性分析

单晶锗属于硬脆性光学半导体材料,加工时易产生裂纹和凹坑等缺陷,严重影响其表面质量.为了达到纳米级的表面质量,本文采用分子动力学模拟从不同晶面和晶向对单晶锗进行纳米压痕分析,在纳米尺度下对其进行压痕加载和卸载,分析该过程中载荷的变化情况,得到弹性模量的变化差异.结果表明,加载前后弹性模量差异小的单晶锗(111)晶面可以作为实际生产中的加工面,从而获得高质量的加工表面.     

工艺条件对硼掺杂纳米硅薄膜微结构及力学性能的影响

采用射频和直流偏压(RF+DC)双重激励源,在等离子体增强化学气相沉积(PECVD)系统中成功制备了掺硼纳米硅薄膜.改变衬底温度、射频功率和退火温度几个关键工艺参数,利用拉曼(Raman)谱仪、薄膜测厚仪和原子力显微镜(AFM)对掺硼纳米硅薄膜的微结构进行了分析;应用纳米压痕法研究了艺条件对薄膜弹性模量及硬度等力学性能的影响关系.结果表明:薄膜晶态比、平均晶粒大小随着衬底温度的升高均有增大趋势;射频功率对提高薄膜生长速率存在最优值条件;退火对本征和掺硼薄膜表面形貌特征有较大影响,退火后掺硼薄膜表面粗糙度增大明显.薄膜弹性模量及硬度很大程度上受射频功率和后序处理条件的影响,退火使薄膜的力学性能有所提高.针对实验现象,从薄膜结构方面进行了相关的理论阐释.     

用纳米压痕法研究玻璃表面复合薄膜的力学性能

采用溶胶凝胶法在玻璃基体上制备了CeO2-TiO2单层膜、TiO2-SiO2单层膜和CeO2-TiO2/TiO2-SiO2双层膜,采用纳米压痕和划痕法对薄膜的机械性能(纳米硬度、弹性模量、临界载荷、摩擦系数)进行了分析.实验结果表明,双层膜与玻璃基体的附着力以及弹性模量、硬度等指标均大于单层膜,由TiO2-SiO2组成的内层,对强化附着力起到了关键作用.     

石墨烯/Cu复合材料力学性能的分子动力学模拟

结合嵌入原子方法（EAM）、反应经验键序（REBO）作用势和Morse势函数,采用分子动力学方法研究了石墨烯/Cu复合材料的弹性性能和变形机制。分子动力学计算得到复合材料的弹性模量随石墨烯体积分数的增加而线性增加,这与Halpin-Tsai模型的预测趋势吻合。此外,石墨烯的加入同时也提供了复合材料的屈服强度。通过比较预制裂纹在单晶铜和石墨烯/Cu复合材料中的动态扩展,发现石墨烯的加入显著抑制了裂纹的扩展,材料的变形主要表现为沿石墨表面的滑移。石墨烯很大程度上提高了复合材料的塑性变形能力。     

掺磷纳米硅薄膜的制备及介观力学性质与介观接触电阻的研究

采用PECVD法制备的纳米硅薄膜是一种具有特殊性能的人工材料.它是由大量具有纳米量级的硅微品粒构成,纳米硅晶粒镶嵌在由非晶硅构成网络中,其晶粒所占的体积百分比为Xc≈50%,从而决定了其特有的性质.本文通过严格控制薄膜生长的工艺参数,得到了掺磷纳米硅薄膜,并通过原位纳米力学电学测试系统对其力学和电学性质进行测试,发现掺磷纳米硅薄膜的纳米硬度为5 GPa,而其杨氏模量随着压入深度的增加而增大,其接触电阻与薄膜的结构密切相关.这些属性对于纳米硅薄膜微器件的制备具有重要的参考意义.     

浅析宏观与纳观材料拉伸强度差异

应用分子动力学方法,采用EAM势函数模拟纳米单晶铜的拉伸过程,在拉伸的数值模拟过程中,采用具有完整结构和各种缺陷结构模型,观察缺陷对模型强度的影响,给出各个模型拉伸时应力应变曲线及极限应力,分析纳米尺度材料与宏观材料强度极限存在巨大差距的原     

功能化氧化石墨烯纳米带/EVA复合材料薄膜的制备及表征

采用纵向氧化切割多壁碳纳米管法制得氧化石墨烯纳米带(GONRs),通过硅烷偶联剂KH-570与GONRs反应得到功能化氧化石墨烯纳米带,随后利用溶液成型的方法在涂膜机上制得功能化氧化石墨烯纳米带(K-GONRs)/乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)复合材料薄膜.用FTIR,XRD,XPS,TEM,FE-SEM,氧气透过仪和电子万能试验机研究了复合材料的结构与性能.研究表明,本实验成功制得薄条状K-GONRs,其层间距约为0.970nm,相比GONRs增加了0.095nm; K-GONRs形状均一、规整并均匀分散于EVA基体中;当K-GONRs质量分数为1％时,K-GONRs/EVA复合材料薄膜的氧气透过率和拉伸强度相比纯EVA薄膜分别降低了54.5％和提高了89.3％,阻隔性能和力学性能得到明显改善.     

单层石墨烯薄膜拉伸变形的分子动力学模拟

采用Tersoff势对锯齿型(Zigzag)和扶手椅型(Armchair)单层石墨烯薄膜的单向拉伸力学性能进行了分子动力学模拟,得到薄膜应力-应变演化关系,初步研究了其拉伸破坏变形机制。模拟结果表明:驰豫后的二维石墨烯薄膜并非完美的平面结构,表面不完全平整,出现类似波纹状褶皱。模拟计算得到锯齿型和扶手椅型石墨烯薄膜的杨氏模量分别为1031.36GPa和1058.42GPa,与文献报道结果一致。石墨烯薄膜在拉伸载荷作用下,薄膜边缘六角元胞首先转变为五角元胞形成缺陷,随着应变增大缺陷增多,碳-碳键逐渐断裂,最终导致薄膜破坏。     

BaTiO3薄膜纳米发电机平衡压电势的理论研究

利用薄膜-衬底系统二参量模型,研究了单层钛酸钡(BaTiO3)压电纳米薄膜系统在轴向应力下发生的弯曲.分析讨论了BaTiO3纳米薄膜的极化强度、极化电荷量及压电电势分布.根据力学平衡法求解出弯曲BaTiO3薄膜压电势以及薄膜弯曲曲率半径和薄膜内应变.结果表明,本工作的理论模型计算的结果与Park等报道的实验及有限元模拟结果非常符合,给出了压电纳米薄膜发电机机理的简单模型和理论基础.     

氧化石墨烯纳米带/TPU复合材料薄膜制备及性能表征

采用氧化法将碳纳米管纵向切割成氧化石墨烯纳米带,利用溶液成形在涂膜机上制备氧化石墨烯纳米带/TPU复合材料薄膜。FT-IR、拉曼光谱、XRD、FE-SEM、TEM等测试表明,碳纳米管成功地被纵向切割成带状结构的氧化石墨烯纳米带。力学测试表明,当氧化石墨烯纳米带用量为2%(质量分数)时,复合材料薄膜弹性模量与拉伸强度相比TPU薄膜提高了160%与123%。氧气透过率测试表明当氧化石墨烯纳米带用量为2%(质量分数)时,复合材料薄膜氧气透过率降低77%,阻隔性能明显提高。     

基于纳米试验技术的薄膜/基体体系显微力学性能表征

采用纳米压痕能够获得薄膜硬度、模量、膜层状态、粘接性能、断裂韧性等力学性能.纳米划痕可以表征薄膜/基体的表面状况、结合力、耐磨损等性能.纳米冲击可以研究薄膜/基体的脆韧性、失效机理等力学行为.综述了纳米压痕、纳米划痕及纳米冲击在薄膜/基体体系力学性能表征中的应用原理.     

石墨烯/铜复合材料剪切性能的分子动力学模拟

采用分子动力学方法系统地研究了石墨烯/铜复合材料的剪切力学性能,包括剪切弹性模量、剪切屈服强度、剪切破坏强度及剪切变形机制。研究发现,与单晶铜的剪切模拟相比较,石墨烯的加入显著增强了石墨烯/铜复合材料的剪切强度,并且剪切强度随着石墨烯体积分数的增大而提高。复合材料中的石墨烯层与铜层产生了协同作用,即石墨烯层阻碍了铜的位错扩展,铜层限制了石墨烯的结构屈曲。对含球形缺陷的石墨烯/铜复合材料的剪切性能也进行了研究。结果表明,不同位置和数量的球形小缺陷对复合材料的剪切性能影响不大,小缺陷石墨烯/铜复合材料仍具有较好的性能和使用价值。但随着缺陷直径的增大,复合材料的剪切强度明显减小。