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摘 要

本文借助分子动力学模拟软件LAMMPS模拟了Ni₂Ta非晶薄膜的形成过程，随后针对不同厚度的纳米级Ni₂Ta非晶薄膜进行了微颗粒高速冲击分子动力学模拟，所得结果对于Ni₂Ta非晶薄膜作为冲击防护材料走向实际工程应用具有重要的指导意义。

论文主要研究了Ni₂Ta非晶薄膜在高应变速率下的变形行为、能量耗散机理以及冲击防护性能，分析了Ni₂Ta非晶薄膜在不同冲击速度下的动态响应。同时还探究了厚度效应对Ni₂Ta非晶薄膜性能的影响。

研究结果表明：当冲击速度小于靶材的弹道极限时，弹体会发生反弹。一旦冲击速度超过靶材的弹道极限，就会产生穿孔现象。得到了厚度为1nm、3nm的Ni₂Ta非晶薄膜弹道极限分别为25Å/ps、23Å/ps。在弹道极限速度下，厚度为1 nm、3 nm的Ni₂Ta非晶薄膜的比吸收能分别为2.56MJ/Kg、0.73MJ/Kg。当尺寸进一步减小到0.5nm时，在高达80Å/ps的冲击速度下，弹体发生反弹现象，Ni₂Ta非晶薄膜未被冲破，表明厚度效应使得薄膜的冲击防护性能大大提升。

本文的特色：利用分子动力学模拟软件探究了纳米级Ni₂Ta非晶薄膜的动态力学行为。同时探究出厚度效应对Ni₂Ta非晶薄膜冲击防护性能的影响，随着靶材尺寸的减小，冲击防护性能呈增长趋势，当尺寸减小到一定程度后，冲击防护性能大大提升。

关键词：非晶薄膜；厚度效应；分子动力学模拟；冲击防护性能

Abstract

In this paper, the molecular dynamics simulation software LAMMPS was used to simulate the formation process of the Ni₂Ta amorphous film. Then, the high-speed impact molecular dynamics simulation of micro particles is carried out for different thickness of nano-sized Ni₂Ta amorphous film. The results have important guiding significance for the practical engineering application of Ni₂Ta amorphous film as impact protection material.

This paper mainly studies the deformation behavior, energy dissipation and impact protection performance of Ni₂Ta amorphous film at high strain rate, and analyzes the dynamic response of Ni₂Ta amorphous film at different impact speeds. At the same time we also explored the effect of size on the performance of Ni₂Ta amorphous film.

The research results show that when the impact velocity is less than the ballistic limit of the target, the indenter will rebound. Once the impact velocity exceeds the ballistic limit, the perforation will occur. The ballistic limits of Ni₂Ta amorphous films with thickness of 1nm and 3nm are 25Å/ps and 23Å/ps,respectively.At the ballistic limit speed, the specific penetration energy of Ni₂Ta amorphous films with a thickness of 1nm and 3nm is 2.56MJ/Kg and 0.73MJ/Kg, respectively. When the size was reduced to 0.5nm, even at an impact speed of 80Å/ps, the indenter rebounded and the amorphous film was not broken, indicating that the thickness effect has greatly improved the impact protection performance of the film.

Features of this paper: The dynamic mechanical properties of nano-sized Ni₂Ta amorphous thin films were studied by molecular dynamics simulation methods. At the same time, the effect of thickness effect on the impact protection performance of Ni₂Ta amorphous thin film was explored. With the reduction of the target size, the impact protection performance showed an increasing trend. When the thickness decreases a certain value, the impact protection performance was greatly improved.

Key Words：Amorphous film；Thickness effect；Molecular dynamics simulation; Impact protection performance

目 录

第1章 绪论 1

1.1 非晶合金的定义与发展 1

1.1.1 非晶合金的定义 1

1.1.2 非晶合金的发展 1

1.2 非晶合金的性能与应用 2

1.2.1 力学性能 2

1.2.2 物理性能 3

1.2.3 生化性能 4

1.3 非晶合金的断裂与增韧 4

1.3.1 非晶合金的断裂 4

1.3.2 非晶合金的增韧 5

1.4 非晶薄膜力学行为研究现状 7

1.5 本课题研究意义及主要内容 7

1.6 研究方法及技术路线 8

第2章 NiTa非晶薄膜制备过程 10

2.1 分子动力学模拟 10

2.1.1 分子动力学模拟概况 10

2.1.2 系综 10

2.1.3 边界条件 10

2.1.4 势函数 11

2.2 非晶合金分子动力学模拟现状 11

2.3 建模及优化 11

2.3.1 模拟过程 11

2.3.2 结构优化 12

2.4 Ni₂Ta非晶薄膜的制备 12

2.4.1 升温过程 12

2.4.2 降温过程 15

2.5 本章小结 17

第3章 冲击实验分子动力学模拟 18

3.1 模拟模型 18

3.1.1 势函数选择 18

3.1.2 冲击加载模型 18

3.2 冲击加载过程 19

第4章 模拟结果与分析 20

4.1 薄膜的变形行为 20

4.2 薄膜的弹道极限 22

4.3 薄膜的能量耗散 23

4.4 薄膜的尺寸效应 24

第5章 结论 26

参考文献 27

致 谢 30

第1章 绪论

得益于长程无序、短程有序的结构，非晶合金具有一些晶体合金材料所没有的优异特性，如高强度、耐腐蚀以及大的弹性极限等。但是塑性变形较小，限制了其在工程上的使用。针对非晶合金的研究目标主要集中在制备高性能非晶合金、改善非晶合金室温脆性。众多研究表明纳米级非晶薄膜具备高强高韧的力学性能，在军事工程、冲击防护等领域具备巨大的应用潜力。

1.1 非晶合金的定义与发展

1.1.1 非晶合金的定义

非晶体是一种与液体、气体和固体并列的物质状态^[1]。过去对融化的液态金属以及合金材料进行热处理的冷却速度较小（例如炉冷），使得组成原子有充分时间转变为规则排列的结构，最终得到晶体材料。如果快速降温，原子无法排列成有序状态，将形成在微观结构上混乱排列，短程有序、长程无序的非晶态合金^[2、3]，与玻璃结构类似，故而也可将非晶合金称为“金属玻璃”。由于没有晶体材料中的晶界、位错这些缺陷，非晶合金材料表现出众多良好的力学特性和物理性能^[4]，如高强度、耐腐蚀性、软磁性以及在过冷液相区表现出超塑性变形能力等。基于这些优异的性能，非晶合金在体育器材、微纳制造、软磁材料、化工产品和航空航天等方面都有巨大的应用潜力。

1.1.2 非晶合金的发展

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