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表面效应对于纳米薄膜力学性能的影响研究

已有 9805 次阅读 2010-10-31 13:56 |个人分类:未分类|系统分类:论文交流

表面效应对于纳米薄膜力学性能的影响研究

表面效应对于纳米薄膜力学性能的影响研究

 

传统的材料科学告诉我们,材料的主要性质与其化学组成有关。对于力学研究范畴,基本观点认为在宏观尺度下材料的微观结构,尤其上一些形状有关的特征没有考虑。纳米材料和微细观结构的认识,以及纳米器件的使用,人们开始关注纳米材料的力学性能不仅与材料的化学组成和微细观结构、使用条件、以及材料器件的结构特征有关。器件力学的研究必须提到重要的位置。

 

连续介质理论已经成功应用于宏观材料的研究,随着纳米尺度材料的研究深入,这个尺度下连续介质力学的结果是否可靠呢?基于原子模拟的分子动力学数值模拟和实验已经表明,在纳米尺度下,材料的力学性能强烈的依赖于材料的尺度和。

 

纳米尺寸材料由于具有较大的表面积和体积比,往往表面原子所处局部结构和内部原子完全不同,在宏观尺度可以忽略的这个表面效应必须在纳米尺度进行考虑,研究表面效应得到很多科学家的认同。

 

分子动力学方法是基于实际的模拟,能够自然考虑到表面效应,于宏观连续介质理论的差别正是表面效应的体现。

本文拟打算采用分子动力学方法研究了纳米薄膜的力学性能,并分析其表面效应对于其力学性能的影响。分子动力学方法研究表明薄膜材料具有非均匀的力学性能,于尺度具有强烈的相关性。

 

表面效应:

理论研究:

核壳模型:认为表面具有不同的原子局部结构。内部原子

力学性能在薄膜截面内具有非均匀性。考虑表面层和体内层的分别。研究薄膜弹性性能的变化。针对不同的表面方向。研究表面对于薄膜的性能的影响。

 

为此设计一个薄膜构型。

模拟过程

h

L

b

N

N

 

 

模拟过程:

弹性模量的两种计算方法

基于维里应力和表面能量的方法。

 

基于能量的方法:对于表面,在构建了理想的薄膜以后,固定两个方向的周期性长度,对具有两个自由表面的薄膜进行松弛。由于表面需要收缩,会产生收缩能量。由于周期性长度被约束,因此松弛薄膜的总能两量可以分成两个部分,根据表面能的定义,表面能是由于表面存在引起的多余的能量

其中 是总的表面能, 是理想晶格上相同原子的总势能。

单位面积的表面能为

表面应力的计算采用能量方法。表面应力被认为是二维二阶张量。为了计算某个方向的应力,固定一个方向,对另一个方向进行拉伸。在加载的过程中,

其中

展开

其中 体晶体的弹性常数。

同时展开

定义

对于总势能函数采用二项拟合公式

 

因此,代入后根据两边恒等条件

 

 

 

 

 



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