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。     

锯齿型(2,2)石墨炔-3纳米管的盐水分离性能

采用分子动力学方法研究了锯齿型(2,2)石墨炔-3(Graphyne-3)纳米管的盐水分离性能。结果表明,不同浓度的氯化钠溶液作为汲取液的体系中,通过管壁的水通量比传统渗透膜的水通量高约4个数量级,均在100 L/(cm2·h)以上,管壁对钠离子和氯离子的截留率均为100%。水分子在该石墨炔管中能够实现非常快速的扩散,其扩散速率比水分子的自由扩散速率高1~2个数量级。钠离子和氯离子在管中距离管壁0.48~0.93 nm的区域分布概率最高。     

石墨/树状大分子复合材料的分子动力学模拟

在COMPASS(Condensed-phase optimized molecular potentials for atomistic simulation studies)力场下, 对以氨(Amine)、 丁二胺(Butanediamine)为核的1代~3代(1G~3G)石墨/树状大分子纳米复合材料进行了分子动力学模拟(Molecular dynamics simulation)。介绍了复合体系的构建过程及分子动力学模拟细节, 从微观构形、 能量变化研究了正则系综(恒定的NVT)中6种插层复合物的稳定性及其机理, 最后利用径向分布函数(Radial distribution function)对能量变化结果进行了分析。结果表明, 当树状大分子体积较小时, 石墨层容易弯曲, 体系能量较高, 导致复合体系不稳定; 随着树状大分子代数的增加, 石墨层形变减小, 体系能量降低, 3代时树状大分子体系最稳定。      

钨合金力学性能表征分子动力学模拟

通过实验方法和分子动力学模拟方法研究了91%(质量分数,下同)细化颗粒钨合金材料的塑性力学问题。结果表明:细化钨合金材料具有应变率效应,且随着应变率的增加,屈服强度增强;钨合金材料应力-应变关系具有显著的温度效应、尺度效应和晶向效应;基于对钨合金材料的数值模拟结果与实验结果对比,得到了两种方法具有一致性的结论,证明了该MD模拟的准确性以及拟合出高应变率幂律公式的可信性。     

SU-8光刻胶玻璃化转变温度及力学性能的分子动力学模拟

基于COMPASS分子力场,经过分子聚合,能量最小化和退火模拟等构建SU-8光刻胶模型。利用分子动力学的研究方法,模拟研究了SU-8胶的玻璃化转变温度及其主要的影响因素;同时计算了在室温条件下交联SU-8胶的杨氏模量、泊松比、剪切模量、体积模量等力学性能。结果表明,模拟得到的玻璃化转变温度和力学性能与实验结果相一致;非键能是导致非交联SU-8胶玻璃化转变的主要因素之一。     

防热陶瓷材料高温力学性能及断裂模式的分子动力学模拟

ZrB2 SiC防热陶瓷具有较高的熔点且在高温下具有良好的抗氧化性能,使其成为超高温防热材料的主要研究对象.但由于使用温度过高,试验手段很难测量和观察材料的高温力学性能和断裂模式.利用分子动力学,采用Tersoff三体势函数,预报了组份SiC在较高温度下的理想强度和弹性模量.采用预制裂纹的方法,模拟了不同温度下SiC的断裂模式.结果表明,随着温度的升高SiC的理想强度呈负指数规律下降,弹性模量也呈现下降趋势.SiC在较低温度下为脆性断裂,随着温度的升高,裂纹尖端前缘出现损伤区,裂纹的扩展模式逐渐转变为子母裂纹传播机制,表现出一定的韧性.     

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。     

石墨纳米片/聚乙烯复合物分子动力学模拟

通过分子动力学模拟对石墨纳米片（GNP）/聚乙烯（PE）复合物的结构、力学和气体输运性质进行计算研究,分析其随模拟温度和GNP填充量的变化规律,探讨纳米界面形成、复合机制及结构与特性的关系。GNP/PE复合物呈现二维结构,GNP趋向于平面取向排列并通过范德华力和纳米石墨片层表面上的碳氢-π键使周围几个原子尺度内的PE分子固化为有序原子层,而PE基体仍然为各向同性的无定形结构。GNP/PE界面上纳米复合作用使体系能量降低,与PE体系相比,GNP/PE的杨氏模量和泊松比分别显著增高和降低。GNP平面取向导致GNP/PE的力学特性表现出二维各向异性的弹性常数张量,在石墨纳米片层平面方向上的杨氏模量明显增高,并且随温度的降低和GNP填充量的提高而增大,填充GNP有效改善了GNP/PE的力学性质。GNP/PE复合物的气体输运性质明显受到填充GNP的气体阻隔和取向的影响并且对3种气体渗透没有明显的选择性。GNP与基体的纳米复合导致N₂、O₂和CO₂的分子输运呈现二维各向异性,随着石墨纳米颗粒填充量的增加,取向GNP层面方向的扩散系数比垂直方向高5~8倍,可用于气体分子屏障与渗流控制。     

不同钙硅比水化硅酸钙力学性能的分子动力学模拟

基于Pellenq等的建模思路,构造了不同钙硅比(C/S)的水化硅酸钙(C-S-H)原子模型,采用分子动力学方法模拟了C-S-H在轴向拉伸载荷作用下的力学性能。重点比较分析了不同钙硅比的C-S-H在无水及含水情况下的拉伸应力-应变曲线。模拟结果表明:(1)与钙硅比为1.0的情况相比,钙硅比大于1.0时C-S-H结构的抗拉强度显著下降;(2)钙硅比大于1.0时,钙氧间的相互作用在承受载荷方面起重要作用,有效弥补了结构中因SiO_2基团缺失引起的缺陷,使得C-S-H的强度下降程度趋缓;(3)当应变达到一定程度时,水分子能够切断钙氧间的相互作用,使得C-S-H结构的强度进一步降低甚至引起断裂失效。     

泡沫镍力学性能的实验研究

本研究在室温下控制位移,先以5mm/min的位移速度对泡沫镍进行了单轴拉伸、压缩实验,然后在不同应变率情况下进行了一系列单轴拉伸实验,得到了相应的应力-应变曲线,讨论了材料的应变率相关性.结果表明在普通拉伸试验范围内(准静态),改变变形速度会影响应力-应变曲线,屈服应力、强度极限随变形速度增大而下降;单轴拉伸时,应力应变关系明显分为线弹性变形、塑性变形、线性硬化和破坏4个阶段;单轴压缩时,具备其他泡沫材料受压典型应力-应变曲线的3阶段特征,即明显的弹性变形段、屈服平台段和紧实段.     

杜仲胶/天然橡胶共混物的分子动力学模拟和耗散粒子动力学模拟

应用分子动力学(MD)和耗散粒子动力学(DPD)模拟方法对杜仲胶(TPI)、天然橡胶(NR)的相容性进行了研究.采用MD模拟方法,在COMPASS力场下,对纯物质在不同聚合度下的溶度参数、一系列共混比的TPI/NR共混物内聚能密度、Flory- Huggins作用参数进行了模拟计算,确定了纯物质单链的聚合度,经判断各比例共混物的相容性均较好;采用DPD模拟方法对TPI/NR共混体系的相结构进行了研究,从等密度图可以进一步判断共混体系的相容性;分析比较两种纯物质的径向分布函数,揭示了其相互作用的本质;经过分析比较静态力学性能,发现共混比为1/3的TPI/NR共混物性能最佳,其结论与实验结果一致.     

几种纳米管导热性的分子动力学模拟

采用平衡态分子动力学方法,计算了不同直径的单壁碳、硅、锗、碳化硅、氮化硼纳米管的导热系数,得到了导热系数随温度、直径变化的曲线;进而根据这些曲线,讨论了直径、温度等因素对几种纳米管导热性的影响,以及不同纳米管之间导热系数的差异。研究结果表明,各单壁纳米管的导热系数均随温度的升高以及直径的增大而降低;在模拟的温度范围(<2200K)内,温度相同时,几种纳米管的导热系数由大到小有如下的排序:碳、氮化硼、硅、锗和碳化硅,其中,锗和碳化硅纳米管的导热性相当。     

分子动力学模拟聚电解质在聚苯乙烯微球表面的吸附

使用Materials Studio软件分别模拟阳离子聚电解质PDADMAC在PS微球表面和磺化PS微球表面的吸附。比较两个体系吸附平衡后的构型,发现PDADMAC可以更加舒展、均匀地吸附在磺化PS微球表面。并分别计算了PS-PDADMAC、磺化PS-PDADMAC体系的相互作用能,EPS-PDADMAC和EPS-SO3-PDADMAC的值分别在160kJ/mol和-90kJ/mol左右波动。模拟结果表明,PDADMAC在磺化PS微球表面吸附是一个自发过程,并且二者可以形成稳定的体系。     

掺硅a-C∶H材料光学性质的分子动力学模拟

利用分子动力学方法,对掺Si的非晶碳氢材料的结合键、C-sp3含量、电子结构、光学性能等物理性质进行了理论模拟研究。研究结果表明,在Si掺杂量小于8%时,随Si掺杂量的增加,Csp3含量,C-Si键数量均呈现增大的趋势,而C-C键数量则有所降低。在光学特性上,在波长为400~800nm范围内,其透过率在Si掺杂量为1.5%时达到最大值,然后,随Si掺杂量增加其透过率先减小后增大,并在掺杂量为4.5%处达到一个透过率的极小值。此外,当Si掺杂量为4.5%时,其反射率和吸收系数最大。     

分子动力学方法的模拟参数对结果的影响

主要研究了利用分子动力学方法(MD)模拟等离子体与材料表面相互作用过程时分子动力学方法的参数对模拟结果的影响.详细分析了Berendsen热浴的应用时间、耦合强度和模拟时间量(单个轨迹的作用时间、弛豫时间)对模拟结果的影响,结果表明,热浴的应用时间对模拟结果的影响很大,而其它参数对模拟结果没有太大的影响.     

TGDDM/DDS交联环氧树脂的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟方法研究了环氧树脂4,4’-二氨基二苯甲烷四缩水甘油醚(TGDDM)与固化剂4,4’-二氨基二苯砜(DDS)交联过程中结构与能量的变化情况,预测了交联环氧树脂的玻璃化转变温度(Tg)、体积热膨胀系数和力学性能。研究结果表明,交联反应使得TGDDM/DDS体系密度增大,结构堆积更加紧密,范德华力和静电作用力增大,总能量减小,反应过程放热,通过温度-比体积曲线得到了交联体系的Tg约为527.9K,与实验值538.9K较为吻合,交联显著增强了材料的力学性能,而高温环境会引起树脂力学性能的下降,通过径向分布函数g(r)揭示了温度对交联环氧树脂结构的影响规律。     

不同拉伸应变率下金纳米线拉伸力学行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了不同拉伸应变率下金纳米线的拉伸力学行为。模拟结果表明,相同截面尺寸、拉伸温度、拉伸方向的金纳米线在较高的拉伸应变率下,屈服强度较大,屈服发生的较早;更高应变率下的金纳米线在屈服时对应的应变更大,并且更容易发生二次屈服。金纳米线的弹性模量随着拉伸应变率的增大有所增加,但是幅度不是很明显。     

MPP并行机上数亿粒子规模的分子动力学模拟

提出一种基于“块-单元-链表”数据结构和HSFC动态负载平衡的并行分子动力学算法,实现了大规模、非均匀分子动力学模拟的基于MPI的可扩展并行计算,以辅助物理学家实现具有实验意义的纳米级模拟。具体地,在某MPP并行机的240个CPU上,计算3．84亿(二维)和2．76亿(三维)个粒子规模的金属微喷射问题,均获得了209倍以上的加速比。     

Molecular Dynamics Simulation of the Specific Heat of Undercooled Fe-Ni Melts

In this paper, a molecular dynamics simulation based on the embedded-atom method (EAM) is applied to calculate the specific heat capacity of the Fe-33% Ni alloy at temperatures above and below the melting temperature. The relationship between the specific heat of the alloy and undercooling is investigated. The heat capacity of the Fe-Ni alloy is a constant in the superheated and undercooled liquid states. Comparisons between previous work and the current study show that the heat capacity behavior of undercooled alloy strongly depends on the species of the alloy.     

Al纳米晶在Fe表面熔化行为的分子动力学模拟

本文应用分子动力学(MD)方法,采用嵌入势模型,在Al纳米晶熔点以上、Fe熔点以下的温度范围内,对Al原子在Fe(001)、(110)和(111)面上的扩散现象进行了系统研究。结果发现,在模拟时间内Al原子的扩散主要发生在Al和Fe直接接触的第一原子层上,且大部分Al原子沿着Fe表面即x-y平面扩散,仅有极少数Al原子沿着z方向向下扩散。Al原子在不同Fe表面上的主要扩散通道并不相同:在Fe(001)面上Al原子沿[110]和[1-10]的扩散几率大致相同;在Fe(110)面上Al原子主要在Fe表面沿[001]方向扩散;在Fe(111)面上Al原子沿[1-10]、[1-01]和[01-1]的扩散几率大致相同。