摘 要

本文主要采用分子动力学方法模拟三种不同晶向（lt;100gt;,lt;110gt;,lt;111gt;）铜纳米线的拉伸变形过程，主要研究拉伸变形机制的取向依赖性及铜纳米线的强度、塑性等力学行为。主要是。主要涉及以下几方面内容：首先，建立三种不同晶向的铜纳米线模型；随后，选取合适的势函数，模拟拉伸载荷作用下铜纳米线的塑性变形过程；根据计算结果得到应力-应变曲线及不同时刻原子尺度结构图，分析不同晶向铜纳米线的屈服强度、杨氏模量等宏观力学指标，详细观察缺陷的形核与演化过程，探索内在变形机理；最后，结合模拟结果和相关实验和理论研究结果，分析铜纳米线拉伸变形过程中的取向效应。

关键词：铜纳米线，晶向，分子动力学

Abstract

在FGM制备过程中，容易产生缺陷。本文以Ti-Cu-W梯度飞片为研究对象，采用数值模拟研究方式，探测了其界面层厚度。

This paper mainly uses the method of molecular dynamics simulation of three different orientations (lt;100gt;, lt;110gt;, lt;111gt;) the tensile deformation process of copper nanowires, the main research orientation of the tensile deformation mechanism and the dependence of copper nanowires strength, plastic and other mechanical behavior. Mainly. Mainly involves the following aspects: first, the establishment of three different crystal orientation of copper nanowires model; then, select the appropriate potential function, the process of plastic deformation simulation under tensile load of copper nanowires; according to the calculation results obtained stress-strain curves in different times and the atomic scale structure, analysis of different crystal orientation of copper nanowires yield strength, Young's modulus of macro mechanics the index, the nucleation and evolution process of detailed observation of defects, explore the intrinsic deformation mechanism; finally, based on the simulation results and the related experimental and theoretical research results, analysis of copper nanowires have orientation in the process of tensile deformation effect.

Keywwords：Copper nanowires、orientation、Molecular dynamics

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 …1

1.1 课题的研究背景…………………..……………………………………………………1

1.1.1纳米线的发展和应用 1

1.1.2 分子动力学计算模拟 2

1.2 国内外研究现状 3

1.3 本文研究的目的和主要内容 4

第2章 分子动力学研究方法… 5

2.1 分子动力学研究的研究意义 5

2.2 分子动力学方法主要内容…………………..…………………………………………5

2.2.1定解条件.....…………………………………………….…….………………5

2.2.2积分算法…………………………………………………………………………5

2.3 分子动力学研究工具…… 6

第3章 不同晶向铜纳米线拉伸力学性能研究…………………………………………….....8

3.1 [100]晶向铜纳米线单轴拉伸模拟……… 8

3.1.1 模型的建立与模拟方法 ………8

3.1.2 模拟结果分析 9

3.1.3 小结 11

3.2 [110]晶向铜纳米线单轴拉伸模拟…… …11

3.2.1 模型的建立与模拟方法……… 11

3.2.2 模拟结果分析 12

3.2.3小结………………………………………………………………………..……13

3.3[111]晶向铜纳米线单轴拉伸模拟 14

3.3.1模型的建立与模拟方法………………………………….……………………14

3.3.2模拟结果分析…………………………………………………….……………15

3.3.3 小结 16

第4章 结论与展望 17

4.1 结论 ……17

4.2 展望 17

参考文献 ……18

致 谢 20

第1章 绪论

1.1课题的研究背景

1.1.1 纳米线的发展和应用

关于新新微观尺度材料纳米线，我们有可以从很多方面去定义它。尺寸上说纳米线是一种具有结构的径向直径在100nm的结构。经典的纳米线材料横向和径向的比在1000上，它们通常被称为一维材料^[1]。

现如今纳米线的组成材料是有多种，纳米线可以大致分为四种结构，包括金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。它大部分数量是在实验中制备出来的的。有几种制备方法：悬置法、沉积法、元素合成法^[2]。

悬置纳米线法是通过对原材料使用化学刻蚀制备纳米线，也有用高速粒子（原子或分子）在实验下冲撞粗线达到限制纳米线尺度作用，从而制备出纳米线。

沉积法是在其他特制的材料的模型平面挤堆原材料形成，在绝缘体表面上的中心线上铺上原材料盖住用物理降沉的方式。

元素合成法是采用精密微电技术改造粒子或一种原料气作粗料，之后再在其中加入一种催化剂中。粗粒进入到这些结构几何中并充盈其中，随着时间粗料会谩骂达到充盈再到溢出，随后源材料将固结，并从材料几何上向外。材料成品的长度由原材料的充盈时间来决定。

纳米材料的结构多样，它有时以非晶状体形式出现，其顺序的缺失是由于尺寸在纳米级的管仅在中心轴线上体现循环性，而在其它方向上可以能量守恒的原理产生任何编号。例如，在一些特别的材料中，纳米线被证明有多种对称性，这种对称性无法在自然界中观测到，却可以在微量原子几何的簇中产生^[3]。这种多重对称性相当于原子簇的二十重对称性，这种次序没有在晶体中观测到。

纳米线的优点主要有两种，物理性能、导电性能^[4]。

一般情况下，相比大尺寸的材料，原子尺度更低的材料就有更良好的性能，纳米线会体现出相比宏观的材料更优异的机械性能。经实验证明，相同的质量下，纳米线具有高的强度，更好的塑性^[5]。同时伴随着机械性能的显著变化，纳米线的电学性能也相对于体材料有着明显的变化。它的优秀决定了它在今后必将被大规模采用，我们的生活，进步离不开更好的材料。

在现在有光电领域，电学机械等等，这种材料也会有很大的使用价值^[6]。它还有很多的其他应用，如制造电子设备，微小的结构让它在这方面更加有优势，这对未来的数字计算可能有重要的意义；经研究发现使用尺度更小的材料，通过聚合光能发电，它所利用的阳光的效率将会有很大的提升空间。现如今我们在太阳能上的利用效率在实验中的计算效率没有办法得到更好的提高，我们在理论上已经达到极限的效率，所以新新的微观尺度材料是很好的选择，因为它本身就具有良好的电学性能。引进新材料专注提升其在转化效率上的理论证明，如果成功，这对太阳能的利用效率是极大的提升，也有助于人类在全球能源利用上的规划，缓解能源危机，改善全球气候，对人类社会健康发展也有很积极的意义^[7]。研究发现微观尺度材料不仅有良好的物理性能，在化学方面也可以有很好的利用。实验人员讲材料做成具有很大表面积的立体结构，对比使用常用的收集太阳能材料做成的结构，同时用等量的实验模拟的光去照射两种结构，相同的时间下测量两个结构相同时间内输出的电能效率^[8]。实验证明，这种微观尺度材料的结构不仅能够迅速获取巨大量的光能，同时输出电能的效率也有很大程度的提升。在纳米线的力学性能方面，它有着其他材料相比更大的优势^[9]。已经有实验证明合成纤维二氧化硅纳米线相比传统的高强度钢、玻璃钢材料在强度上有着1个数量的差别。同时这种材料的重量相比其他材料很轻。该研究结果在改进航空航天领域的材料上有着很重要的意义，对未来的航空领域发展有着很重要的意义。

1.1.2 分子动力学模拟计算

分子动力学方法是一种利用计算机进行模拟实验方法，在研究微观结构系统的各种模型的细节、变化是很有效的。这种技术不仅能得到原子在各个时间节点的位置和原子的运动轨迹，还可以观察原子运动的各种微小的变化。它是研究微观原子系统运动的有力工具，是对理论实验的正面验证^[10]。分子动力学模拟在材料学、生命科学和物理学等等都有很重要的应用。典型的分子动力学模拟计算，它所计算的系统中一般可以达到上万的原子数目，模拟的时间间隔为纳秒量级。分子动力学主要是以数学为基础，以常微分方程、偏微分方程来描述微观粒子的运动，以一种确定的微分方程模型来假定原子的运动方式，我们可以使用微分方程来描述运动，将具体的运动转化为微分方程。经理论实验证明，在忽略了微观的量子效应和相关的温度效应，分子动力学方法是正确^[11]。要进行分子动力学模拟，还需要一个关键的量，原子间相互作用的势。我们最常使用的是EAM势函数。如lennard-jones势、mores势、eam原子嵌入势、f-s多体势。但是相应的会有一定的误差，这种方式忽略了局域电子间的强相互作用，忽略了电子的性质这会对原子轨迹等有一定的影响^[12]。

分子动力学方法，常规的可以分为四步，第一步：建模，模型的建立与所研究的对象有紧密的关系，需要用数学的思想将模型具现化，包括几何建模，物理建模，化学建模，力学建模。建立模型需要注意模型的初始条件、边界条件、模型的变化公式。总的来说模型建立需要从数学的微观和宏观来完成。第二步：模拟，模拟主要对所见模型进行模拟使其变为一串计算机语言，这是体现分子动力学特点的关键步骤，需要对所使用的软件有着充分的了解，对运动方程进行积分算法、模拟算法，需要保持温度的恒定。第三步：后处理,这时需要对所得到的数据如cfg文件作出相应时刻下的原子结构图，绘出结构变化图，完成对所有数据的处理。完成所有的数据处理得到了相应的变化过程。对得到实验数据计算相应的宏观的量，讲宏观量与微观变化结合。第四步：分析，对所得到的实验数据及处理所得实验数据进行分析，联系分子动力学知识将微观现象与微观联系起来，对自己研究的问题作出分析、得到结论。这就是常规的方法步骤。

1.2 国内外研究现状

随着科学发展，人类在对各种材料的要求也在不断的提升中，往往要求材料具有更好的性能，更轻的质量，更高的性价比。因此，对材料的研究也越来越深入，单纯的宏观下的研究已经不能满足需要，需要更深入的微观尺度下的研究^[13]。