纳米尺度铜团簇在升温过程中结构变化的分子动力学研究

应用正则系综分子动力学方法和嵌入原子势函数,模拟计算了在升温过程中纳米尺度铜团簇Cun(原子数n=531,603,683)原子径向密度分布函数ρ(r)及原子的平均能量随温度的变化.在将团簇沿其径向分为表层、近表层、内层Ⅰ和内层Ⅱ四个区域后,研究了在升温过程中纳米尺度铜团簇表层及内部区域结构变化.结果表明,团簇Cu603在温度为770 K时团簇表层区域原子的结构部分处于无序状态,部分保持有序结构,且这种有序和无序共存的状态一直持续到1000 K,而在这一温度区间内,近表层和内层原子的结构仍总体保持有序结构;在1000-1100 K温度区间内,各区域原子的平均能量均经历一个N形变化后,当温度为1080 K时团簇各区域内原子的结构已变为无序,但沿径向方向表现为层状分布;直到1500 K时,团簇的层状分布特征消失.团簇Cu531和Cu683具有相似的结果.     

熔融Cu55团簇在冷却过程中结构变化的分子动力学模拟

应用分子动力学研究了一个熔融Cu55团簇冷却过程中变为二十面体的结构变化.根据原子密度分布函数和对分布函数随温度变化的分析表明,在降温过程中由于原子之间连续地交换位置,团簇结构发生了三个阶段的变化:首先形成三壳层结构,继之初步形成四壳层结构,并在团簇内部开始形成由13个原子组成的二十面体结构,最终形成原子分布于4个壳层内具有二十面体结构的CU55团簇.模拟中由原子密度分布函数确定了不同壳层的原子位置.     

Cu熔体中原子团簇在凝固过程中的演变规律分子动力学模拟

用分子动力学模拟研究了Cu熔体以不同速率冷却微观结构的演变规律.结果表明,冷却速率在10^12.6K/s到10^14.5K/s之间时,Cu熔体凝固后形成了非晶体与晶体的混合体;Cu熔体中的原子团簇、临界晶核及凝固后晶体的结构均是由hcp和fcc结构层状镶嵌排列构成,这说明Cu凝固后形成的层状镶嵌结构起源于形核阶段;冷却速率小于10^13.3K/s时,Cu层状镶嵌结构中具有fcc结构的原子数多于hcp结构的原子数,而冷却速率大于10^13.3K/s后,hcp结构的原子数多于fcc结构的原子数;Cu非晶基体中晶态结构原子团簇的尺寸小于临界晶核尺寸时,虽然用HA键型指数法能确定出一定数量晶态结构原子键对的存在,但径向分布函数反映不出其晶态结构的特征.     

液态Ca70Mg30合金快速凝固过程中纳米团簇结构形成演变特性模拟

采用分子动力学方法对液态Ca70Mg30合金快速凝固过程中纳米团簇结构的形成和演变特性进行模拟。采用原子团类型指数法(CTIM)对凝固过程中纳米团簇结构的演变进行分析。结果表明：系统在5×1011 K/s的冷速条件下形成以1551、1541和1431为主的非晶态结构,非晶转变温度约为530 K;(120120)二十面体基本原子团对系统非晶结构的形成起到决定性的作用,并且原子半径较小的Mg原子更容易占据二十面体基本原子团中心原子的位置;同时,纳米团簇主要是通过中等尺寸团簇的合并而形成,纳米级大团簇的形成演变过程呈现出类似于非晶晶化过程的3个阶段式的变化。     

钢液环境对Ti-O团簇形貌影响的分子动力学模拟

钢中细小、弥散分布的钛氧化物可以诱导晶内铁素体的形成,提高钢的力学性能。通过分子动力学方法模拟研究了Ti-O团簇长大演化成为钛氧化物的过程,并探究了钢液环境与空位对Ti-O团簇形貌的影响。结果发现：在真空中以球状结构稳定存在的Ti-O团簇在钢液中呈蠕虫状或树枝状。通过比较低能Fe原子在Ti-O团簇周围和钢液中的分布,发现在团簇内O原子周围0.25～0.30 nm范围内Fe原子出现聚集,说明钢液中Fe原子对Ti-O团簇中的O原子产生作用,使Ti-O团簇形貌发生变化。空位易在距离Ti-O团簇表面0.45 nm范围内聚集,空位扩散加速了Ti-O团簇的碰撞长大。     

纳米多晶Ni微观结构与力学性能的分子动力学模拟

运用分子动力学技术,结合分析型嵌入原子方法(AEAM)模拟计算了平均晶粒尺寸为2.09～5.23 nm的纳米多晶Ni的微观结构和力学性能.从原子能量分布、径向分布函数(RDF)、局域晶序结构的角度分析了纳米多晶Ni的晶界和晶粒结构,发现晶界部分所占的比例随晶粒尺寸的减小明显提高,结构与普通微晶的相似,纳米晶体的结合能较普通晶体的低.单向拉伸模拟结果表明:纳米多晶Ni的强度与晶粒尺寸之间出现反常Hall-Petch关系;弹性模量的降低与纳米尺度结构特征相关.     

工艺参数对Ni/Fe金属热喷涂影响的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究不同工艺参数下热喷涂材料的沉积现象。模拟温度、团簇尺寸和喷涂速度对Fe基体上Ni团簇沉积的影响,分析团簇的形貌和基底的亚表面损伤。结果表明,在Ni团簇升温过程中,熔点随团簇尺寸增大而增高,Ni团簇在1800 K左右完全熔融。喷涂过程中,基体因冲击力至无序原子呈“山”型。此外,喷涂速度在沉积过程中起重要作用。在较低喷涂速度下,基体的展平比较低,但在较高喷涂速度下,基体受团簇冲击后会出现空位和原子团簇等缺陷。因此,热喷涂过程存在临界喷涂速度机制。     

Au-Cu合金的团簇成分式北大核心CSCD

运用描述近程有序结构的"团簇加连接原子"方法,建立了Au-Cu合金的稳定局域结构模型,进而解析了具有特殊性能的成分点,其中包括ASTM手册中列出的3种钎料BAu-11(50Au-50Cu)、BAu-1(37.5Au-62.5Cu)和BAu-2(80Au-20Cu)。结果表明,特殊性能成分金铜合金,具有简单的满足团簇式的成分规律,反映着固溶体近程有序本质结构。     

Fe-Cu合金基体损伤的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟了压力容器模型材料Fe-0.05Cu和Fe-0.3Cu合金的级联碰撞过程.研究了辐照导致的缺陷构型及其特征能量、Cu的空位迁移机理、Cu含量对初始损伤的影响、辐照温度对间隙原子团簇和空位团簇的影响等.结果表明,Cu对级联碰撞产生的缺陷数量、湮灭和复合没有明显影响,但可降低空位迁移能.辐照温度对团簇有明显影响.     

金属Nb级联碰撞的分子动力学模拟

运用分子动力学方法研究了bcc结构Nb在辐照损伤初期因辐照诱发位移损伤形成和演化的微观过程以及原子机制。选取初级离位原子(primary knock-on atom,PKA)能量5～50 keV,模拟温度300 K,研究了Nb中级联碰撞产生的缺陷数量及其分布随模拟时间的演化,PKA能量对稳定Frenkel缺陷数目的影响,缺陷团簇的分布等。研究结果显示,级联碰撞会在体系中产生辐照缺陷,Frenkel缺陷对数目和不同的PKA能量区间(5～30 keV和30～50 keV)之间满足不同的幂函数关系,所形成的缺陷大多数以点缺陷的形式存在,空位团簇成团率17%～35%,间隙原子团簇成团率23%～40%,PKA能量越高,空位越容易形成较大的团簇;级联碰撞产生的间隙原子形成了大量的沿<110>方向的哑铃型结构;当PKA能量高于30 keV时,级联碰撞将产生1/2<111>间隙型位错环和<100>空位型位错环。     

Molecular dynamics simulation on thermodynamic properties of Pb-Ag alloys

Molecular dynamics simulation was used to simulate the thermodynamic properties of three binary alloys, Pb-Ag (1:1), Pb-Ag (4:1), and Pb-Ag (9:1). The energy functions, such as excess free energy, cohesive energy, and formation energy, were calculated. The calculated val-ues agree well with the experimental ones. The atomic interactions were analyzed in macroscopic and microcosmic views and both are con-sistent well.     

Ag低指数表面非谐效应的分子动力学模拟

应用分子动力学,结合分析型嵌入原子模型研究了Ag低指数面的声子频率、声子线宽度、原子振动振幅和层结构因子随温度的变化关系.结果表明,计算值与已有的实验数据比较相符;(110)面的原子振动振幅表现出明显的各向异性;由声子频率随温度变化关系得到的非谐常数表明(111)面的非谐效应最弱.计算出的反映表面长程有序特征的层结构因子表明,(111)面没有表面熔化,而(100)、(110)面分别在低于体熔点的100 K与250 K时出现了表面熔化.     

单晶镍纳米薄膜单向拉伸破坏的分子动力学模拟

应用分子动力学方法模拟了单晶镍纳米薄膜受单向拉伸破坏的过程, 得出纳米尺度单晶镍薄膜的应力-应变关系、能量演化曲线和镍薄膜构型的变化及微损伤的形成和扩展过程. 模拟采用原子镶嵌势描述原子间作用, 得到镍单晶薄膜的弹性模量, 分析了拉伸过程中系统原子能量、应力变化和外荷载的关系. 结果表明: 纳米薄膜的自由表面影响拉伸过程中原子的运动和薄膜整体力学性能, 纳米薄膜破坏的几何特征是原子空位的连接和晶胞缺陷的扩展; 单晶的断裂接近脆性断裂, 模拟得到纳米薄膜的断裂强度符合Griffith脆性断裂的能量平衡理论.     

Si晶体中空位运动的分子动力学研究

用分子动力学方法模拟了Si晶体中的空位运动．采用Stilliger—Weber三体经验势描述原子间的相互作用．在追踪空位的跳动时,采用两种方法对不同温度下的空位跳动进行了计算．通过对空位微观热运动的轨迹的分析计算,得到了空位激活能,并对Thomas方法中关于空位跳跃的强制定义给出了统计意义上的解释．计算分析表明,空位的绝大多数跳动都是经历过渡态完成的．     

金属Cu体熔化与表面熔化行为的分子动力学模拟与分析

采用Mishin嵌入原子势,通过分子动力学方法模拟了金属Cu原子体系的体熔化和表面熔化行为,分析了体熔化过程中系统结构组态和能量变化以及表面熔化过程中固-液界面迁移情况．模拟结果表明：在体熔化过程中,结构组态与能量在1585K处发生突变;在表面熔化过程中,固-液界面在1380K保持静止．两种熔化过程的不同发生机制是导致体熔点1585K高于热力学熔点1380K的原因．在实际熔化中,表面熔化处于支配地位,实验测量的是热力学熔点．得到的热力学熔点与实验结果吻合良好,验证了本文所采用方法是正确和有效的,同时也说明了Mishin嵌入原子势适合处理复杂无序体系．     

Pd纳米微粒的晶格参数和结合能的尺寸形状效应研究

利用分子动力学的方法研究了球形和立方体形Pd纳米微粒的晶格参数和结合能．研究表明,在一定的形状下,纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低;在一定尺寸时,球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形的纳米微粒的相应量．通过线形拟合分子动力学模拟的数据,定量的给出了形状效应对于纳米微粒晶格参数变化的贡献量约为总贡献量的7％,而形状效应对于结合能变化量的贡献为总变化量的25％．再次证明了具有自由表面的Pd纳米微粒的晶格发生收缩,模拟值与实验结果一致．     

含有{111}织构的纳米孪晶多晶铜在拉伸变形过程中塑性各向异性机制的分子动力学模拟

基于分子动力学模拟,从主导滑移系的斯密特因子和位错机制两个方面系统研究含有{111}织构的纳米孪晶多晶铜在拉伸变形过程中的塑性各向异性机制.结果表明:主导滑移系的斯密特因子随着孪晶界倾角的改变而变化,但屈服应力或流动应力并不严格遵守斯密特定律.在拉伸变形过程中存在涉及不同位错机制的硬取向和软取向.硬取向的硬化机制在于塑...     

POSS在无铅焊点中界面反应能的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟研究了环己烯POSS在无铅焊点锡(β-Sn)晶体的(100)、(110)、(001)面以及在Sn-Ag-Cu合金表面的界面反应,得到了各自的界面反应能大小.结果表明,环己烯POSS易与β-Sn的各主要晶面相结合,但在(110)面上具有最低的界面反应能,结合性能最好.在锡中加入银(Ag)和铜(Cu)提高了环己烯POSS在其表面的界面反应能,表明对结合性能产生了不利影响,但仍然具有较好的结合性能.此外,还计算了环己烯POSS的溶解度参数.对于理解POSS对于无铅焊点的增强作用以及应用POSS来开发焊料增强剂具有重要而实际的意义     

基于分子动力学的Cu3Sn/Cu界面元素扩散行为数值模拟

文中采用修正的嵌入原子势函数(modified embedded atomic method, MEAM)的分子动力学模拟,研究了无铅焊点中Cu3Sn/Cu界面元素的扩散过程,对界面元素的扩散行为进行了分析计算,获得了界面各元素的扩散激活能,根据元素扩散的经验公式得出界面过渡区的厚度表达式. 结果表明, 扩散过程中主要是铜晶格中Cu原子向Cu3Sn晶格中扩散. 其中,铜晶格内原子以较慢的速率扩散,但可以深入Cu3Sn晶格内部,Cu3Sn中原子以较快的速率扩散,但难以进入铜晶格内部. 结合阿伦尼乌斯关系和爱因斯坦扩散定律,计算得到界面处铜晶格原子的扩散激活能为172.76 kJ/mol,界面处Cu3Sn晶格中Cu原子扩散激活能为52.48 kJ/mol,Sn原子扩散激活能为77.86 kJ/mol.     

Molecular Dynamics Simulation of Thermodynamic Properties for Pb-Au Alloys

The molecular dynamics method was used to simulate thermodynamic properties of three binary alloys: Pb40Au60, Pb80Au20 and Pb90Au10. The energy functions, including excess free energy, cohesive energy and formation energy, were calculated. Formation energy and excess free energy are all negative values, so Pb-Au alloys belong to negative system. The atomic interactions were analyzed in macroscopic and microcosmic views. The calculated formation energy can describe the deviation degree between the actual alloy and the ideal melt quantitatively