（动力工程及工程热物理专业论文）纳米金原子团簇熔点的分子动力学模拟研究.pdf

the molecular dynamics simulation on the melting temperature of the nanometer-sized au clusters a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of power and engineering by bin li supervisor: associate prof. liangju zhao major: power and engineering thermophysics college of power and engineering of chongqing university, chongqing, china. april 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 超音速冷喷涂是一种新型的表面涂层制备方法，具有诸多优点，得到了国内 外学者的广泛关注。然而冷喷涂技术作为一个新兴技术，其理论尚不完善，喷涂 质量和效率尚待提高，尽管其特点适合于纳米粒子喷涂，但尚未在工程中加以实 现。冷喷涂是指喷涂粒子在没有熔化的情况下附着在基体表面，在用分子动力学 方法模拟表面沉积时，与粒子数有密切关系的喷涂粒子的熔点至关重要。因此， 用分子动力学模拟方法来探讨微观状态下纳米金团簇的熔点，具有十分重要的学 术价值和工程应用背景。 本文采用分子动力学方法模拟了纳米金团簇的熔化过程，分别采用了径向分 布函数法、势能温度法、均方位移法和键对分析法，对模拟的结果进行了深入分 析。对四种分析方法的比较发现，径向分布函数法能明显得出团簇由有序向无序 转变的趋势，但不能准确得出其熔点；势能-温度法基于团簇原子间距在熔点附近 会发生阶跃变化这一微观原理，能够较准确给出团簇熔点；均方位移法是通过计 算所有原子间均方距离的变化而得出熔点，能够较准确给出一个熔点的范围；键 对分析法是根据团簇从固态向液态转变过程中，其微观构型会发生较大变化这一 原理得出团簇熔点。本文研究的几种方法中，势能-温度法、均方位移法和键对分 析法得出的金团簇熔点与理论计算值都能够较好吻合。 关键词关键词：分子动力学模拟，径向分布函数，势能-温度，均方位移，键对分析 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract supersonic cold gas spray is a new coating process which has many good attributes and it has attracted attentions from scholars in and abroad. but as a newly-developed technology, it is short of perfect theory and the quality and the efficiency of spray should be improved. and whats more, it has not been carried out in practical project although it can be applied to nanometer-sized particle spray. the cold in the cold gas spray means the particles adhere to the surface of substrate under the situation that dont melt down, methods used in molecular dynamics simulation of the surface sediments, and the number of particles is closely related to the melting point of spraying particles is essential. therefore, using molecular dynamics simulation to explore the micro-nano-clusters under the melting points, is of great academic value and engineering background. we use the molecular dynamic simulation method to simulate the melting process of the nanometer-sized au clusters. four methods are adopted to analyze the results of simulate, they are the pair correlation function、potential-temperature、mean square displacement and key analysis. we make a comparison with these four methods, we can see the cluster changes from order to disorder obviously through the pair correlation function, but cant get the melting point exactly. potential-temperature method is build on a microcosmic mechanism that the distance among atoms can have a leap near the melting point, through this method we can get melting point much more exactly. mean square displacement can get melting point by calculate the square distance of all atoms, can be more accurate to give a scope of melting point. key analysis, in the process of changing from solid to liquid, the microcosmic configuration of the cluster have a big change, so the change point is the melting point. at last, we find potential-temperature method, msd and key type analytical method can accord with the theories calculation numerical value. keywords: molecular dynamics simulation, the pair correlation function, potential-temperature, key type analysis. 重庆大学硕士学位论文 目 录 iii 目 录 中文摘要中文摘要 . i 英文摘要英文摘要 . ii 目目 录录 . iii 1 绪绪 论论 . 1 1.1 纳米科技纳米科技 . 1 1.1.1 什么是纳米科技 . 2 1.1.2 纳米科技的意义 . 3 1.1.3 纳米材料及特性 . 3 1.2 熔化理论及金属熔化的研究现状熔化理论及金属熔化的研究现状 . 4 1.3 前期工作研究：气固两相介质音速研究前期工作研究：气固两相介质音速研究 . 6 1.4 本课题研究的目的和意义本课题研究的目的和意义 . 7 1.5 本文研究内容本文研究内容 . 7 2 分子动力学模拟方法分子动力学模拟方法 . 8 2.1 引言引言 . 8 2.2 分子动力学基本思想分子动力学基本思想 . 9 2.3 分子动力学模拟的基本步骤分子动力学模拟的基本步骤 . 9 2.3.1 确定研究对象 . 9 2.3.2 建立位能模型 . 10 2.3.3 建立分子运动方程 . 10 2.3.4 确定初始条件 . 10 2.3.5 确定边界条件 . 11 2.3.6 位能截断 . 12 2.4 分子动力学模拟的系综分子动力学模拟的系综 . 12 2.4.1 平衡系综的分类 . 12 2.4.2 平衡系综温度控制方法 . 13 2.5 模拟中应用的各种算法模拟中应用的各种算法 . 14 2.5.1 verlet 算法 . 15 2.5.2 velocity-verlet 算法 . 15 2.5.3 leap-frog 算法 . 15 2.5.4 beeman 算法 . 15 2.5.5 gear 算法 . 15 重庆大学硕士学位论文 目 录 iv 2.5.6 rahman 算法 . 16 2.6 原子间的作用势原子间的作用势 . 16 2.6.1 多体势 . 17 2.6.2 johnson 的分析型 eam 模型 . 17 2.6.3 eam 模型的修正 . 18 2.6.4 修正的普适分析型 eam 模型 . 18 2.6.5 f.ercolessi 的 glue 模型 . 19 2.6.6 au 的 glue 势函数 . 21 2.6.7 时间步长 . 24 2.7 本章小结本章小结 . 24 3 纳米金团簇熔点的分子动力学模拟纳米金团簇熔点的分子动力学模拟 . 25 3.1 引言引言 . 25 3.2 熔化基本原理及熔点分熔化基本原理及熔点分析技术析技术 . 26 3.2.1 熔化基本原理 . 26 3.2.2 熔点分析技术 . 26 3.3 金原子团簇熔点的理论计算金原子团簇熔点的理论计算 . 28 3.4 模拟方法与步骤模拟方法与步骤 . 29 3.5 模拟结果分析模拟结果分析 . 29 3.5.1 不同原子数下模拟结果 . 29 3.5.2 不同模拟分析方法的比较 . 60 3.5.3 结论 . 64 3.6 本章小结本章小结 . 64 4 全文总结与展望全文总结与展望 . 65 致致 谢谢 . 66 参参 考考 文文 献献 . 67 附附 录录 . 71 攻读硕士期间发表的论文目录攻读硕士期间发表的论文目录 . 71 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪 论 近年来，先进的纳米材料研究升温。其中，纳米表面涂层应用广泛：如在 半导体中应用的微纳米结构超薄膜，在化学、航空航天中用的防腐、防热及化 学性能稳定的薄膜，质子交换膜燃料电池内纳米结构的铂催化剂等。与传统热 喷涂涂层相比, 纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方 面有显著改善, 且一种涂层可同时具有上述多种性能， 诸多特点使纳米喷涂技术 成为了热喷涂领域一个重要的研究方向。要实现纳米喷涂，需要解决关键问题 之一便是在高温喷涂过程中怎样保证材料不被烧结。传统的纳米涂层制备方法 工艺复杂、制造成本高，高温导致的氧化又将改变成分和性能。本论文对纳米 团簇的熔点进行了相关研究。 纳米金属团簇，由于它们在表面纳米结构和催化剂等方面的应用引起人们关 注，所以人们十分有必要了解与它们相关的热力学性质。本文就是从理论计算和 分子动力学模拟两方面入手，分析微观状态下纳米金团簇的构型并模拟计算其熔 点随团簇分子数多少的变化。早在 1909 年，pawlow1就认为原子团簇的熔点会随 其尺寸的大小单调变化，团簇越小熔点就越低，我们将通过理论和模拟计算金的 熔点来证实这一点。 1.1 纳米科技 1959 年在一次著名的演讲中美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者查理德 费曼 (richard p feynman)曾经这样说： 如果人类能够在原子/分子的尺度上来加工材料， 制备装置，我们将有许多激动人心的发现。那时，化学将变成根据人们的意愿逐 个地准确放置原子的问题。 当 2000 年人们回顾历史的时候， 他们会为直接用原子、 分子来制造机器而感到惊讶。这便是纳米尺度上科学和技术问题的首次提出。 100 年前， 爱因斯坦在其博士论文中曾根据糖在水中扩散的实验资料计算出一 个糖分子的直径约为 1 纳米。100 年后的今天，纳米尺度在科学中的重要性迅速膨 胀起来。 1974 年日本谷口纪南(taniguchi)教授最早使用纳米技术(nanotechnology)一 词描述精细机械加工。70 年代后期，美国麻省理工学院德雷克斯勒提倡将纳米技 术作为一门专门的科学技术对之进行研究。但当时多数主流科学家对此持怀疑态 度。 纳米科技的迅速发展是在 80 年代末、90 年代初。80 年代初中期出现的纳米 科技研究的重要手段扫描隧道显微镜(stm)、原子力显微镜(afm)等微观表征 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 2 和操纵技术对纳米科技的发展起了积极的促进作用。 1990 年 7 月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫 描隧道显微学会同时举办， 纳米技术与纳米生物学两种国际性专业期刊相 继问世。纳米科技这门崭新的科学从此得到科技界的广泛关注。 1.1.1 什么是纳米科技 对于纳米科技，从不同角度可以有不同的提法，归纳起来有以下四种： 把纳米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米精度的加工，人工形 成纳米大小结构的技术。有人把通过超精细加工制作的微机电装置也称为纳米装 置； 在材料领域， 把纳米级颗粒的制备技术及由此引起的材料的性能改变称为纳米 技术； 从原子、分子出发来构建特殊的结构，制造具有所需功能的分子装置，从而产 生生产方式的革命； 仿制生物体系的纳米结构，利用生物的自识别、自组织、自复制的功能制造特 定的纳米产品。 基于以上提法，我们可以把纳米科技定义为：纳米科技是指在纳米尺度（1 nm 到 100 nm 之间）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用（主要 是量子特性） ，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。它使人类认识和改 造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米科技的最终目标就是以原子、 分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有 特定功能的产品。 把纳米科技的工作对象按照工作性质来划分，它可以分为三个大的工作领域： 制造和置备性能优异的纳米结构和纳米材料，是纳米科技发展的一个基础：设计 和置备各种纳米器件，包括纳米的电子器件，纳米的生物学器件，研究纳米科技 所需要的装置，比如扫描隧道显微镜，原子粒显微镜等等一系列在纳米尺度上来 观察和操纵纳米结构的新的装置或仪器；第三个大的领域是探测分析纳米区域的 性质和现象。纳米科技的最终目标是直接以原子及物质在纳米尺度上表现出来的 新颖的物理，化学和生物学特性，来制造具有特定功能的产品。 纳米科学和技术是多学科交叉的复合领域，包含新型动力工程和工程热物理 的前沿问题，是当今研究的热点。纳米科学和技术主要包括：纳米材料合成、制 备、性能表征和应用的新原理、新方法与新技术；纳米碳管、纳米金属、纳米陶 瓷材料、纳米半导体、纳米薄膜，纳米复合材料、组装和器件化关键基础研究； 纳米材料的界面与表面特征、形貌控制、表面修饰和缺陷控制；微纳米加工、微 功能元件、微制造技术、微纳米系统的制造；纳米尺度效应、微系统的复合效应 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 3 研究等。 这些前沿问题也正是国家自然科学基金委工程与材料学部的十五优先资 助领域。 1.1.2 纳米科技的意义 美国商业周刊将纳米科技列为 21 世纪可能取得重要突破的 3 个领域之一 （其它两个为生命科学和生物技术、从外星球获得能源） ；美国政府从 1999 年开 始， 决定把纳米科技研究列为 21 世纪前 10 年 11 个关键领域之一， 纳米技术将与 信息技术或生物技术一样，对 21 世纪经济、国防和社会产生重大影响，可能引导 下一场工业革命，应把它放在科学技术的最优先地位。 纳米科技的陡然升温不仅仅是尺度的缩小问题，实质是由于纳米科技在推动 人类社会产生巨大变革方面所具有的重要意义所决定的。纳米科技的发展，促进 了人类对客观世界认知的革命。随着人类对客观世界认知的革命，纳米科技将引 发一场新的工业革命。同时纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好 化。将极大地节约资源和能源，减少人类对它们的过分依赖，并促进生态环境的 改善。这将在新的层次上为人类可持续发展提供物质和技术保证。 纳米科技也将促使传统产业旧貌换新颜。比如，纳米材料的研究，在化纤制 品中加入纳米微粒，可以除味、杀菌；通过纳米技术的运用，使建筑物外墙涂料 的耐洗刷性由原来的 1000 次提高到 10 000 多次，老化时间也延长了两倍多。这种 对传统材料进行纳米改性的技术，企业应用的投入不大，而且市场前景广阔。 纳米科技的巨大影响还在于使纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命 力，迅速形成一个具有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域，包括纳米材料 学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学等。 1.1.3 纳米材料及特性 纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子 簇，小于通常的微粒，一般为 100102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分： 一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状 结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。 1984 年德国萨尔兰大学的 gleiter 以及美国阿贡试验室的 siegel 相继成功地制 得了纯物质的纳米细粉。 gleiter 在高真空的条件下将粒径为 6nm 的 fe 粒子原位加 压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990 年 7 月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议， 正式宣布纳米材料科学为材料科 学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分 子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同， 界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构 状态。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 4 纳米科技研究的内容主要是在原子、 分子尺度上构造材料和器件, 测量表征其 结构和特性, 探索、发现新现象、新规律和应用领域。纳米材料便是纳米科技研究 的重点之一。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或它们作 为基本单元构成的材料2。自 1984 年纳米材料诞生以来，已制备出包括金属、非 金属、有机、无机和生物等在内的各种纳米材料。近几年来, 在纳米材料制造方面 做了大量的研究工作, 在纳米粒子粉材的制造中, 以及材料结构和特性测量、表征 上取得了显著成果。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究, 出现了一些成 功有效的制造方法, 发现了一些惊人的结构和特性3-10。由于量子尺寸效应、小尺 寸效应、表面界面效应、量子隧道效应等，使纳米材料在力学性能、电学性能、 磁学性能、热学性能等方面与传统的固体材料有许多不同的特殊性质，成为当今 材料科学的前沿和一个开拓性的新领域，有着极为广泛的应用前景11。与此同时 发展起来的纳米表面工程也显示了极大的应用前景。具有力、热、声、光、电、 磁等特异性能的低维、小尺寸、功能化的纳米结构涂层可以显著改善材料的性能 12。 纳米材料有表面效应、体积效应和量子尺寸效应。 纳米材料的表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变 小而急剧增大后所引起的性质上的变化。 纳米材料的体积效应 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许 多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象 通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。 纳米材料的量子尺寸效应 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续 变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和 最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺 寸效应。由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和 超塑性大为提高。 1.2 熔化理论及金属熔化的研究现状 熔化是固相转化为液相的过程。作为一个重要的基本物理现象，几乎所有的 物质在一定条件下都会发生熔化。尽管从热力学我们知道，在熔点以上，液体的 自由能低于固体的自由能，从而发生固液相变，但我们并不完全清楚怎样在微观 上利用自由能和动力学解释固液转化13,14，并将它们统一起来。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 5 由于不同的固体和熔体结构，实现这些物理量的变化途径可以有很多，因此， 仅知道熔化的热力学关系是不够的，必须知道熔化时固体发生什么变化，才能形 成完整的熔化理论，但正是由于固体和液体结构的复杂性，至今没有发展出熔化 的完整理论，甚至对于最简单的晶体都还没有形成一致认同的动力学理论。 研究熔化的主要方法包括实验方法和理论方法，理论方法主要是采用一些方 法计算或者模拟熔化过程，从而提出熔化模型，这些计算方法包括：分子动力学、 蒙特卡洛、晶格动力学、密度函数理论、准调和近似、第一原理等。其中第一原 理是运用量子力学从头计算的方法，计算的原子规模较小，难度较大。分子动力 学（md）和蒙特卡洛（mc）是主要的方法，其关键是选用合理的势能函数和初 始位形。分子动力学提供了研究物质在原子尺度上的运动规律的强有力工具15。 近几十年的研究成果表明：晶体的熔点与其室温下的切变弹性模量成正比， 也与晶体的空位能成正比，但热膨胀系数与其熔点成反比例关系，各种金属的熔 化熵近似为常数16。朗道相变理论证明熔化只能是一阶相变。一些实验和分子动 力学模拟表明17,18，对于微团和表面这样的低维系统，熔化有从一阶向二阶相变 转变的趋势。 自从约 100 年前 sutherland 和 lindemann 提出了最早的晶体熔化准则19以来， 通过理论和实验方法已经对金属熔化现象进行了广泛的研究。金属一直是研究熔 化机制的理想对象，这主要是由于金属晶体是由具有径向对称力场的原子组成， 另一个原因是大多数的金属形成密堆积结构。 若能完全抑制非均匀成核熔化，则固体在某温度下通过均匀成核熔化，均匀 成核的温度高于物质的正常熔点，造成晶体的过热20-22，即体熔化理论。文献中 常见的熔化理论有以下几种： sutherland-lindemann 理论认为，当固体中原子离开平衡位子的均方根与原子 最近邻距离之比达到某一临界值时，固体发生熔化。这与许多固体的熔化试验和 计算机模拟是一致的，是被广泛接受和认可的熔化理论，但这是晶体维象的绝对 失稳理论，不能表征其物理本质。 born 熔化理论23：当剪切弹性模量消失时晶体熔化，其预测结果与实验不符 合。由此导出的熔化为二阶相变，其预测结果也与实验不符。 位错理论24认为，熔化是由熔点附近的大量位错增值，从而导致晶体失稳， 液体是具有饱和位错核的晶体。但这一理论不能预测熔化时的物质密度变化。 密度函数理论25则是利用相关函数计算固-液的相对稳定性，从而确定固体的 熔点。这一理论对惰性气体晶体的熔点计算结果与实验符合。 granato 间隙模型26认为，在熔点附近晶体中的间隙大量增加，原子可动性增 强，含间隙的晶体与液体自由能之差及其间隙的偏导数为零，晶体熔化。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 6 以上模型的共同特点是都能从一定角度包含 lindermann 熔化准则，但都各自 存在问题。作为良好的熔化理论，应该能够计算物质的熔点和熔化的分数密度变 化，并能够反映 lindermann 熔化准则。 实际上，固体的表面、界面和其它晶体缺陷是固体非均匀成核的源点27-29。 实验和计算机模拟结果都表明，表面对于固体的熔化有特殊重要的作用，例如： 一些表面在低于物质正常熔点就发生表面熔化，而另一些表面则不发生预熔化， 甚至在高于热力学熔点时仍然不熔化。 随着温度的升高，晶体内部将逐渐发生如下变化：非协调效应更加明显，晶 格膨胀，空位等缺陷增加，剪切量减小；不稳定性增加，表面、晶界预熔启动， 预熔区的失稳迅速扩展，晶体熔化形成熔体，此时熔体具有部分固体的结构，液 体中原子扩散与振动并存；随着温度的进一步升高，液体中原子的扩散加剧，固 相微团减小，熔体更加无序。在上述过程中，预熔区的失稳扩展是非常重要的环 节之一，然而，对其机理的研究还很不充分30，相关的成果报道也很少。 1.3 气固两相介质音速研究 超音速冷喷涂（csc） ，又称为冷空气动力学喷涂（cgds） ，是一种新型的喷涂 表面沉积的方法。在超音速冷喷涂中，喷涂粉末与气体混合后，在缩放流道内形 成超音速流动，与基板碰撞后喷涂粒子在基板上沉积。由于两相介质是超音速流 动，且在基板附近会有激波产生，因而两相介质音速对分析沉积过程十分重要。 作者对气固两相介质音速进行了研究，分析计算了不同气体与固体粉末两相 介质的音速。分析结果与实验结果比较得到了较好的吻合，验证了普朗特的理论 分析。结合汽液两相音速分析表明，分析两相介质音速时可以不考虑相变的影响。 以两相音速为基础的激波分析结果与理想气体激波结果的趋势吻合，较基于单相 音速的激波更合理，说明了两相介质音速结果的正确性。经研究得出如下结论： 1、气固两相介质音速比单相音速低得多，其最小值出现在体积含气率为 50% 处； 2、对空气与金属粉末、氦气与金属粉末两相介质的音速计算结果与普朗特的 理论分析结果和现有的实验结果吻合； 3、分析两相介质音速时可以不考虑相变的影响； 4、以两相音速为基础的激波分析结果与理想气体激波结果的趋势吻合，较基 于单相音速的激波更合理，说明了两相介质音速结果的正确性。 该部分研究内容已在工程热物理学报上发表（参见附录） ，本文将不再详 述。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 7 1.4 本课题研究的目的和意义 18 世纪中叶,以蒸汽机为代表的第一次工业革命是毫米技术应用的标志,使人 类从此跨进了以机械代替人力的工业时代;进入 20 世纪,以微电子学为代表的第 二次工业革命是微米技术应用的标志,使人类进入了计算机和网络的新时代;可以 预见,以纳米技术为代表的新兴科学技术,将在 21 世纪给人类带来第三次工业革 命。然而,科技的发展必须以新材料为基础，近二十年的研究表明纳米晶体有着一 系列优异的物理化学性能,在电子、能源、生物等领域具有广泛的潜在应用价值。 尽管纳米材料有着优异性能,但当前在工程领域的应用却很有限,其原因除了 受材料制备加工技术的限制外,还有一个主要因素就是纳米材料的热稳定性低。研 究金属纳米材料的热力学性能,不仅能够弄清材料在小尺度下的热学特性,以及界 面和晶体之间的热物性差异,同时对金属纳米材料的开发设计及应用有着重要的理 论指导意义。 实验与理论已经对纳米结构的热力学性能进行了大量研究,并且取得了一些很 好的结果。但由于实验手段的限制以及实验本身固有的缺陷,仅仅通过实验方法并 不能完全了解这些性质,计算机模拟可以弥补实验的不足。由于计算的复杂性,第一 原理还无法研究原子数较多的纳米体系。本论文选用适合金属材料模拟的 glue 模 型,研究金属纳米结构的热力学性质,获得有关的原子运动细节,预测纳米材料的热 力学性能,解释实验现象,揭示内在机制,并将计算结果与其他理论结果进行比较,在 一定程度上验证所运用的模型的合理性和可靠性,为其在材料设计领域的发展打下 良好的基础。 1.5 本文研究内容 本课题主要针对冷喷涂这一工程运用而展开，冷喷涂过程不采用任何高温火 焰，不需加热与熔化粉末，涂层的形成完全靠固体颗粒的高能撞击所产生的变形 而生成，是基于空气动力学原理的一种喷涂技术。冷喷涂中要求喷涂粒子在没有 熔化的情况下高速射出附着在基体表面上，适用于冷喷涂的粒子直径范围比较小， 由于粉末粒子过小，实验方法不易得出其熔点，因此本文运用理论计算和分子动 力学模拟方法来计算包含不同粒子数团簇的熔点。 本文模拟的对象是贵金属金，金属金具有相对简单的结构，是典型的面心立 方体，是研究金属熔点的理想材料。首先我们进行了理论计算，采用 j.ross 和 r.p