微通道纳米结构的润湿接触状态对滑移减阻影响的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的微尺度流效应,采用分子动力学方法以SPC/E水分子为纳米流动介质,分别计算模拟其在不同纳米结构的微通道内的润湿接触状态和Poiseuille流动行为,研究通过微通道壁面微纳结构改变而导致的不同润湿状态起到的滑移减阻效应.结果表明:纳米结构的周期性增加,会使得壁面的亲疏水性呈现马太效应,从而达到润湿性控制的目的.增加壁面亲水性,会使主流区密度、流体速度和滑移速度都减小;在增加壁面疏水性的过程中,主流区的密度增加;并且流体的状态由Wenzel向Cassie转变,流体速度和滑移长度先减小后增加;而亲疏水转变过程中,随着表征接触角的增加,当动静态流体与壁面的接触状态相同时,流体流动的壁面摩擦因数值呈现单调递减趋势;而当动静态流体与壁面的接触状态存在差异时,摩擦因数会出现轻度无规律波动.     

超薄水膜剪切流的分子动力学模拟

为揭示超薄膜的摩擦特性与微观结构的关系,运用分子动力学模拟的方法对其进行研究,采用固液比作为流体膜固化的定量描述,分别讨论温度﹑分子层数对固液比和摩擦力的影响。仿真结果表明,摩擦力随固液比的增大而增大;当壁面原子与液体膜原子的质量比增大时,会造成固液比缓慢上升,但摩擦力却随之下降,固液间滑移长度的增大是造成这一现象的主要原因。     

基于分子动力学模拟的纳米铝板力学性能与缺陷演化过程的尺寸效应研究

采用分子动力学方法模拟了不同分子动力学模型尺寸对含初始裂纹缺陷纳米单晶铝板在拉伸载荷作用下的裂纹缺陷演化过程的影响。结果表明:随着模型尺寸增大,材料的屈服应力减小,屈服点提前,断裂韧性提高。在弹性阶段,材料变形与体系内部原子的点缺陷和面缺陷相关;在塑性变形阶段,材料变形与位错增殖和滑移相关。裂纹尖端处应力集中是裂尖附近晶体结构发生相变的原因,能量在相变后释放导致应力松弛所致。     

基于AFM纳米机械刻蚀的分子动力学模拟研究

基于原子力显微镜AFM(atomic force microscope)的纳米机械刻蚀加工是扫描探针刻蚀加工技术( scanning probe lithography, SPL)的一个重要组成,目前已取得较大进展.但由于纳米机械刻蚀涉及原子的结构与运动,其加工机理尚有待于进一步研究.分子动力学模拟技术是近年来发展的继实验和理论研究后的又一重要研究方法.文章综述采用分子动力学模拟技术,研究基于AFM的纳米机械刻蚀加工的进展, 分析纳米尺度的加工机理,评述探针、刻蚀工艺、工件材料等因素对纳米机械加工过程的影响.文章最后指出今后研究的方向.     

FCC晶体弹性常数的分子动力学模拟及其适用性

采用SC势,通过对晶体在体积膨胀、单向拉伸和纯剪3种受力状态下的分子动力学模拟,求得了Ag、Au、Cu、Ni、Pd和Pt等6种常用的面心立方(FCC)晶体的3个独立的弹性常数。选取不同大小的计算元胞所得的计算结果几乎不变,说明了此弹性常数的计算方法稳定性良好。为考察计算结果的正确性,将其与参考文献中的试验结果进行了比较,二者取得了很好的一致。进而以无限长纳米杆为例,讨论了弹性常数对于实际的纳米器件的适用性问题。结果表明,当纳米器件尺寸很小时,尺寸效应会造成这些弹性常数失效,而只有当其尺寸足够大时,这些弹性常数才能具有实际的应用价值。     

氮化硅表面DLC膜压痕过程的分子动力学模拟

对β Si 3 N4基体表面DLC薄膜压痕过程进行分子动力学模拟.压入过程模拟采用刚性球形压头与Tersoff势函数,考虑薄膜密度、膜厚、压入深度和基体属性对压痕过程的影响.模拟结果显示:薄膜抗压变形能力随着薄膜密度增加而变强,随着薄膜厚度增加而变弱;随压入深度增加,接触区内原子平均势能增加并转化为动能,导致温度升高, DLC膜中sp3键比例和配位数为5原子数增加,薄膜硬度增加.β Si 3 N4基体属性对薄膜压痕特性产生影响,高硬度基体表面D L C膜的抗压变形能力更强,但随薄膜厚度增加其影响逐渐减弱.     

基于分子动力学的单晶硅压痕过程计算机仿真研究

对单晶Si的压痕过程进行了分子动力学模拟.采用Morse势函数描述原子间的相互作用,以牛顿方程建立力学运动方程,使用改进后的Verlet算法解原子运动轨迹,通过对MD仿真结果的分析研究,将压痕过程分为三个特征阶段,即初期弹性变形阶段、中期塑性变形阶段及非晶层形成阶段.并从原子角度分析了压痕过程中原子间势能、磨削力的变化、应力状态、磨削温度等特征,解释了微观材料的去除和表面形成机理.     

基于分子动力学的密封副润湿特性对泄漏量影响研究

在微纳尺度下的间隙密封中,流体流经不同润湿特性的界面时固液交界处会产生不同程度的边界滑移,进而影响其流动状态及泄漏量。为深入研究密封副润湿特性与泄漏量关系,基于分子动力学原理,建立间隙密封模型,模拟在不同润湿性的壁面上,以不同壁面运动速度剪切下表层水分子的边界滑移及其单向泄漏情况。研究结果:表明壁面上的最大剪应力随壁面运动速度的提高呈线性增加,在高速的剪切作用下,亲水性壁面上依然会产生轻微的边界滑移;随着剪切速率的增加,滑移长度与泄漏量趋于稳定;在实际生产中通常剪切速率较小,剪应力不足以引起边界滑移,水分子易吸附于壁面之上导致更大的泄漏量,因此在低剪切速率下,壁面润湿性对于单向剪切泄漏的影响很小;而在剪切速率较高时,润湿性较差的壁面上泄漏更小,因此可以通过在密封表面采用疏水涂层处理以达到更好的密封效果。     

基于分子动力学模拟的多主元合金滑动摩擦学行为研究

随着高性能多主元合金被相继开发并在摩擦学领域的应用迅速扩展,研究并揭示多主元合金的摩擦学行为至关重要。采用分子动力学模拟,构建多主元合金原子尺度滑动摩擦模型,研究FeCoCrNiCu（M1）、FeCoCrNi（M2）、FeNiCr（M3）3种多主元合金的表面形貌、磨损原子、摩擦力、位错及应力的演变。结果表明：M2合金在相同的划痕深度下表面变形最小、磨损粒子数最少、法向力最大,这是由于Co元素的加入使得合金的硬度增强;M1合金展现出更剧烈的塑性变形以及更复杂的位错变形,这是由于Cu元素的加入降低了合金的硬度;M1和M2合金中产生了棱柱位错环,M3合金中却没有观察到,这是由于M3合金的堆垛层错能较低难以形成棱柱位错环。研究结果对多主元合金的开发和应用提供了参考。     

分子动力学计算机模拟技术进展

阐述了分子动力学模拟以及进行分子动力学模拟的基本条件及步骤,介绍了国内外分子动力学计算机模拟的研究现状,指出了分子动力学模拟方法应用的进一步发展方向。展望从原子尺度方面出发来研究材料力学的力学行为,特别对裂纹、错位和晶界以及它们的相互作用的研究是可行的。     

基于AFM的单晶铜薄膜压痕的分子动力学模拟

使用三维分子动力学方法对基于AFM的单晶铜薄膜压痕过程进行了研究。采用对势Morse势计算试件原子之间,试件原子和压头原子之间的相互作用。模拟了不同压入深度的压痕过程,分析了压入深度对压头应力、系统势能变化的影响。结果显示单晶铜薄膜的纳米压痕的力学机理是非晶态产生的变形。当压入深度增加时,系统势能变化增大,压头应力变化增大,体现出强烈的尺寸效应。     

分子动力学模拟方法概述

介绍了分子动力学模拟的基本原理及常用的原子间相互作用势,如Lennard-Jones势;论述了几种常用的有限差分算法,如Verlet算法;说明了分子动力学模拟的几种系综及感兴趣的宏观统计量的提取。     

碳纳米管/丁腈橡胶复合材料力学及摩擦性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术,从分子水平研究碳纳米管(CNTs)增强丁腈橡胶(NBR)复合材料的力学性能及摩擦学性能。运用恒应变法计算材料的力学性能,分别建立纯NBR和CNTs/NBR复合材料的3层模型,并对顶层和底层的铁摩擦副施加剪切载荷,研究材料的摩擦学性能。研究结果表明：在摩擦过程中,由于CNTs表面存在很强的吸附力,抑制了NBR分子链的迁移率,使得CNTs和聚合物分子链间的相互作用增强;CNTs/NBR复合材料具有更高的致密性以及更强的结构,从而表现出了比纯NBR更加优异的力学和摩擦学性能。     

纳米连接过程的分子动力学模拟研究进展

纳米材料因其特有的结构和性能而得到广泛的应用,纳米连接技术也随之发展起来。在纳米加工领域,虽然有很多先进的显微分析手段,但由于实时观察技术的限制,材料的很多现象和行为很难通过实验进行观测和分析,而分子动力学适用于几纳米到几十纳米的三维空间尺度和纳秒以下的时间尺度,同纳米加工领域很多过程的时间尺度和空间尺度保持一致,因此,利用分子动力学模拟纳米材料性能和连接过程原子的动力学行为是可行的。综述了纳米材料（包括纳米多层膜、纳米线、碳纳米管、纳米颗粒）在纳米连接过程以及连接大尺寸材料过程中的分子动力学模拟研究进展,模拟结果与实验结果基本吻合。结合最新研究进展,讨论了分子动力学模拟在纳米连接应用中的存在问题、解决办法和发展趋势。     

复合准周期势下的纳米摩擦分子动力学模拟

采用Frenkel-Kontorova模型和涨落-耗散机制相结合的方法模拟一维原子链在复合准周期势能下纳米摩擦过程,考察了在复合准周期势能下各种因素对摩擦的调制作用.结果表明在复合势能形式中对摩擦起到主要调制作用的为构成复合势能中周期较小的余弦势能,此势能的周期和振幅的大小决定了调制作用的强弱.     

金属铜纳米切削的分子动力学模拟

微纳米科技的发展和器械的小型化对精细加工过程提出了更高的要求,深入理解微纳米的切削规律至关重要。本文运用分子动力学方法,对大尺寸的单晶及多晶铜进行了切削深度为0.1μm的计算模拟,并就切削过程中单晶和多晶内部微结构演化、温度及切削力变化进行了分析及对比。结果表明:多晶铜在切削过程中位错滑移集中在刀具前沿几个晶粒内,对未切削工件区域的影响较小,温度分布更为集中,切削力也略小于单晶。     

纳米切削多晶铜的分子动力学仿真研究

采用Voronoi方法建立了多晶铜切削模型,基于分子动力学方法实现了多晶铜纳米切削加工的二维分子动力学仿真。分别选用EAM势函数和Morse势函数来计算工件原子间以及工件原子和刀具原子间的相互作用。对切削过程和切削力的变化进行了分析,发现晶界会阻止位错向晶粒内部传播,在已加工区域表面,前一晶粒中的原子会随刀具运动到下一晶粒中形成晶界,切削过程中切削力随时间波动剧烈,并在晶界处会出现瞬时的峰值。     

Molecular Dynamics Simulation of Rolling Friction Using Nanosize Spheres

The rolling resistance of a sphere on an atomically flat surface was studied by molecular dynamics simulation carried out by rolling a rigid Ni sphere on a copper (100) surface. Spheres of 6 and 12 nm diameters were used for rolling simulations after indentation up to 10 Å in depth and the computations carried out using embedded atom potentials of Ni and Cu, assuming either active molecular interaction at the contacts (normal potentials) or the presence of a passivation layer on the sphere. Results showed that the sphere size, penetration depth, and adhesion at the rolling interface strongly affected the rolling friction. When molecular interactions were allowed at the rolling contacts, the average rolling friction coefficient was higher and severe oscillations in the friction force was observed. On the other hand, a sphere with a passivation layer produced more dislocations in the copper substrate during rolling and the motion of the dislocations affected the coefficient of rolling friction and the size of the friction force oscillations. This work also suggested that rolling friction at the nanoscale level was similar to the macroscopic rolling condition during strain hardening of metals due to severe dislocation multiplication underneath the nanosphere in nanorolling.