文 献 综 述

课题名称：最细纳米晶的力学与物理性质的分子模拟

1．课题研究的目标

掌握最细纳米晶的定义，了解它的基本物理特性及力学性质。学习分子模拟技术，对最细纳米晶的力学与物理性质进行细致的分子模拟，确定有关定量参数，和其他的相关分子模拟结果及理论结果进行对比，为后续相关课题研究打下基础。

2．选题的意义

通常所说的纳米材料是20世纪80年代末开发的一种高新材料，是指晶粒尺寸小于100nm的金属材料，包括纳米金属粉末和纳米金属结构材料[1]。纳米金属材料具有特殊的结构和杰出的性能，与粗晶材料相比其电学、力学、磁学、热学等性能发生了很大的变化，如较高的强度与硬度，优良的光学与催化性能[2-4]。纳米晶材料由于具有一系列优异的性能，自问世以来就引起人们广泛的兴趣和关注。在纳米晶材料的研究中其力学性能一直是研究热点之一，通常材料晶粒尺寸愈小晶界愈多，塑性变形愈困难。当晶粒尺寸小于10-20nm时，屈服强度可达普通粗晶体的10倍以上，并表现出高的应变速率敏感性和抗疲劳裂纹萌生能力。然而，这些优点的获得都是以材料塑性的严重降低(拉伸延伸率普遍小于5% ) 为代价，其主要原因是大量非共格界面存在以及纳米晶粒内部容纳位错的能力十分有限。人们希望了解纳米晶材料的力学性能以及晶粒尺寸对其性能的影响，以开发性能更佳的纳米晶材料[5-8]。但是晶粒小到20nm以下时，其性能会出现某些反常现象，如粒度小于30nm时，存在反Hall-petch关系，这种现象严重影响了它们的应用，一般将晶粒尺寸在2-4nm的纳米晶体称为最细纳米晶 [9]。如此之小的细晶存在于普通纳晶块体材料中，对块体材料的力学性能会带来明显的影响，如它们会填充普通纳晶块体材料晶粒空隙形成较大的致密度。随着晶粒尺寸的减小，位于晶界及其附近的原子空间占位增大。晶粒尺寸只有几纳米的材料，位于晶粒边界的原子数与位于晶粒内部的原子数大体相当。小晶粒的晶体结构与粗大晶粒的晶体结构基本一样，只是纳米晶的晶格常数略大，相差在0.2%~0.8%之间。见于目前学术界对最细纳米晶的力学与物理性质尚不明确的情况，本课题拟采用分子模拟的方法来研究其力学与物理性质。

3．国内外研究现状（文献综述）

20世纪两大主流学科是物理学与化学，这是大多数专家学者的共识。然而进入21世纪以来，伴随着科技创新的深度发展，纳米科技正成为当今社会的支柱行业[10]。自从30年前纳米材料的产生到如今，可谓是方兴未艾，如火如荼。美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者R. P. Feynman 曾说过：”如果我们得以在细微尺度上控制事物的话，毫无疑问，这将使材料所具有的物性范围大为扩充。”科学家们把这种材料誉为”21 世纪最有前途的材料”[11]。依照当前学术界对其之研究进度，新的革命性进展将很快出现，新材料的创新及在此基础上产生的新科技在未来数年内将对国民经济社会的进步产生深远影响，元器件的智能化，小型化将进一步发展[12.13]。

3.1．国际上最细纳米晶的研究现状

早期纳米材料的创始人Gleiter等利用多种结构分析手段(如X射线衍射、中子散射、正电子湮没等)深人系统地研究了纳米单质金属的界面结构，提出纳米晶体中的界面与普通多晶体中的界面结构不同，表现出近程无序、长程亦无序的高度无序状态，具有很大的过剩体积(-30%)和过剩能，呈现出类似气体结构的所谓”类气态结构”。近年来这一结论却受到许多实验结果的挑战。Gleiter指出[14]，对于直径为2-5nm之间的晶粒（即最细纳米晶）接近非晶的极限，这些微小的晶粒将部分的具有纳米玻璃的一些性质，其原子结构和体积分数在一定程度上是可以调整的。我们可以设想，这种可以调整的原子结构为位错的吸收和发射提供了便利，那么这种最细小晶粒的存在将有利于纳晶材料的塑性提高。Schiftz等人[15.16]采用分子动力学模拟了直径为5-50nm的晶体铜的变形行为，发现纳晶Cu在晶粒直径为10-15nm之间时，强度达到最大值。在晶粒直径小于10 nm时，晶体通过晶界的变形机制实现变形，即一系列不相关联的晶界滑移组成了晶体的变形。在这个范围内，随着晶粒的增大晶界变形离开原来位置而带来硬化效果，出现反hall- petch关系，这种最细小纳晶Cu强度达到2GPa左右。Siegel认为随着晶粒尺寸的减小位错运动对变形机制的影响下降。当晶粒尺寸的减小到纳米尺寸范围，晶界运动越来越重要。有的学者认为纳米晶材料的弹性模量与其晶界及三晶交所占的体积分数有关Trelewicz等[17]通过进行纳米压痕实验研究了晶粒直径为3-150nm的Ni-W合金的变形行为，发现晶粒直径在10-20nm之间时出现了从多晶体变形行为向类玻璃变形机制的转化，而这种最细小晶粒的强度达到了这种合金强度的极限值。Satta等[18]通过分子动力学模拟研究了纳晶Si的最细小晶粒存在的极限条件，他们将最细小晶粒放在其它晶粒的三晶交处，发现当这种最细小晶粒的晶粒直径达到