纳米晶体结构与性能分子动力学模拟

课题总结
三、随着晶粒尺寸的减小，纳米晶体的弹性 模量明显地下降，即材料抵抗外界力的能 力下降。因此，提高了诸如纳米陶瓷的低 温韧性。
纳米晶体性能与结构 分子动力学模拟
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小组成员
组长： 方恒
组员： 许进乐 余文林 吴斯敏 冯所利 王建国 羿志 承 胡元元 张聪 赵江平 林锦瑜
课题简介
近年来对新型的纳米材料以及由其组成的各种结 构的研究吸引了科研工作者的浓厚兴趣，并取得了很大 进展。纳米晶体材料是晶粒尺寸为0.1－100nm的多晶 材料。由于它的特殊的晶粒尺寸及体积分数很大的原子 是处在晶界位置，纳米晶体具有一系列不同于传统的粗 晶体的高新性能。这些高新性能的发现在为高性能材料 开拓新途径的同时，也给材料学理论带来了新课题，如 何在原子和纳米尺度上阐述纳米晶体结构－性能的相互 关系。材料结构和性能的计算机模拟可以分为两类：1 连续体模型和2原子论模型。在连续体模型中，所研究
模拟过程
本文采用分子动力学计算机模拟方法，对纳 米晶体的结构和性能进行研究，计算中采用的原 子间相互作用势函数是推出改进的多体对偶势。 该势函数以局域密度近似和二阶动量矩近似为基 础，与由缀加平面波方法（APW方法）计算所 得能量曲线进行拟合，很好的模拟了纳米晶体的 结构和动力学特征，与其他模型势函数相比，此 势函数计算简单，模拟速度快，且模拟的准确性 高。
课wk.baidu.com总结
经过本次课题的研究我们得出了以下三点结论： 一、无论是纳米晶体材料晶粒或晶界都与传统的粗晶 粒材料没有本质区别，只是由于晶界体积分数不同，纳 米晶体材料产生一系列不同的物理学与力学性能。 二、由于大的体积分数的晶界相所产生的应力场，导 致纳米晶体材料中晶粒的结构变化还可表现为晶粒内点 阵发生膨胀或畸变；随着晶粒尺寸的减小，点阵畸变程 度增高；随着晶粒尺寸的减小，相对而言，晶界与晶粒 结构的区别越来越小。
模拟过程
• 由于在模拟中,总是要求将模拟晶体的总能量达到最小,总
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能量值/纳米晶体的总原子数即为每个原子的平均能量。 高能量的组成,不只是由于纳米晶体材料内有高畸变的大 量大晶界,而且晶粒内的畸变也起着重要的作用,所以随着 晶粒尺寸大变小,纳米晶体中的原子能量相对的高,这种结 构是不稳定的。 上述的实验中出现的结构重排问题,就说明了这一点。在 某种条件下,纳米晶体有充分的能动性重排自己以达到稳 定的低能结构。
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模拟过程
• 有关纳米晶体的结合问题还可以从力学的
角度，例如弹性模量来说明，纳米晶体材 料的弹性模量常数已被发现减小30%或更 小。这些结果被解释为晶界区域由于平均 原子间距的增加而导致晶界大的自由体积， 在杨式模量值的减小方面，一些科学工作 者解释为样品中存在疏松和裂缝。
模拟过程
我们利用java程序模拟了正常 和畸变晶体结构，以及分子团簇 的生长过程。
模拟过程
首先，我们应用缀加平面波 （APW）方法计算纳米面心 立方晶体银的电子能带结构， 在忽略自旋耦合的情况下， 以半相对论近似为基础自洽 地计算出晶体的势能、电荷 密度及本征值的和，再利用 Janak公式求出总能量。右图 为体系结合能随体积变化关 系及拟合曲线。
模拟过程
图为不同晶粒尺寸的纳米晶 体铁的结合能U的分布曲线。由 图4可看出，随着晶粒尺寸的减 小，纳米晶体的结合能也减小， 亦即它的结合比较弱。图4也很 清楚的表明，随着晶粒尺寸的 减小，结合能变化的幅度U为 0.2-1.4eV，这说明纳米晶体 的高能量组成。随着晶粒尺寸 的减小，纳米晶体中的原子的 能量也相对的高，在某种条件 下，纳米晶体中的原子有充分 的能动性重排自己以达到低能 结构。
课题简介
的对象被视为连续介质，所利用的多是有限元方法； 而在原子论模型里，则认为研究对象是单个原子的聚集 体，并且每一个原子是作为独立的研究单元，目前，经 常利用的原子级模拟方法有两种，即分子动力学（ MD） 方法和蒙特卡罗（MC）方法。 本文采用分子动力学计算机模拟方法，对纳米晶体的 结构和性能进行研究，计算中采用的原子间相互作用势 函数是李义兵等人推出改进的多体对偶势。该势函数以 局域密度近似和二阶动量矩近似为基础，与由缀加平面 波方法（APW方法）计算所得能量曲线进行拟合，很 好的模拟了纳米晶体的结构和动力学特征，与其他模型 势函数相比，此势函数计算简单，模拟速度快，且模拟
课题简介
的准确性高。以前的 工作曾采用该势函数对碱土金属 纳米晶体的晶体结构及其性能进行了模拟计算，取得了 较好的结果。但是据我们所知，对贵金属纳米晶体的研 究还不多，本文针对纳米面心立方晶体银进行其结构和 能量分布、平衡点阵常数及弹性模量等的模拟计算。并 将计算结果与实验结果相比较，从而更准确的确定纳米 晶体的结构与性能及其相互关系。