（固体力学专业论文）碳化硅与铜锆合金纳米材料力学性能的原子模拟.pdf

摘要 摘要 本文简要综述了纳米材料，特别是其力学性能研究的发展历程。对陶瓷材料 动态力学行为研究的现状，形状记忆材料伪弹性变形效应的发展和应用，以及如 何采用分子动力学这一数值模拟方法研究材料热力学性能等问题做了回顾和评 述。采用分子动力学方法模拟了p - s i c 陶瓷材料沿不同晶向的应力波传播特性， 不同1 3 - s i c 材料和结构的增韧机制，以及铜纳米丝和铜锆合金纳米丝中马氏体相 变效应等，并对相应的内在的原子机制进行了探讨和分析。 首先从固体材料热力学行为的原子尺度模拟这一角度系统地介绍了分子动 力学模拟方法，讨论了分子动力学模拟中的一些基本问题，如温度和压力控制、 原子作用势函数等。 采用分子动力学方法模拟了1 3 - s i c 材料的【1 0 0 】、【1 1 0 】、 1 1 l 】和 1 1 2 四个晶 向的应力波传播特性。1 3 - s i c 材料在 1 0 0 、 1 1 0 】、【1 1 1 这三个晶向上波阵面后的 应力和粒子速度等方面存在明显差别，应力波传播表现出了明显的各向异性。而 1 1 1 】和【1 1 2 这两个晶向总体性质比较接近，对于应力波传播来说，可以近似认 为是两个等价的晶向。在 1 0 0 方向上，当速度载荷超过4 9 1 k m s 时， i - s i c 材料 的碰撞区域附近开始出现非晶化现象，且非晶区域的界面会逐步向外扩展以释放 碰撞区域的超高压力，最终形成的非晶区域的原子层数与加载速度近似呈线性关 系。 采用分子动力学方法研究了1 3 - s i c 材料的增韧机制。对于纳晶1 3 - s i c 材料， 小晶粒纳晶1 3 - s i c 在低应变率下的主要破坏方式为晶粒破裂形成非晶团簇，非晶 团簇与晶界之间的相互作用使得纳晶能承受更大的应变，从而有效地提高了纳米 晶体的延展性。对于b s i c 纳米层状复合结构，厚度较小的纳米非晶层能有效地 提高复合结构的屈服应变，并使复合结构出现类似于塑性流动的性质，因此有利 于韧性的增强。含非晶外镀层的1 3 - s i c 纳米丝在低温条件下能表现出一定的韧性； 而常温情况下，不同厚度的非晶外镀层均不能显著提高纳米丝的延展性，表明温 度是影响p - s i c 纳米丝韧性的重要因素。 采用分子动力学方法研究了单晶铜纳米丝在单向拉伸加载和卸载条件下的 马氏体相变过程和虚弹性变形效应。弛豫过程中的 铜纳米丝在表面应力和 热能的共同作用下发生晶格转向，转变为 1 1 1 结构，即轴向为 、侧 面为 1 1 1 的菱形截面铜纳米丝。该 1 1 1 ) 结构在应力作用下可能发生反向 晶格转向，转变为 结构，在弹性极限前卸载均能返回应力应变原点；加载 曲线与卸载曲线形成明显的滞后回路，表明单晶铜纳米丝具有伪弹性变形特性。 摘要 采用分子动力学方法研究了c u z r 合金纳米丝在单向拉伸和卸载作用下的 马氏体相变和伪弹性变形效应。结果表明，c u z r 纳米丝在单向拉伸应力作用下 能发生马氏体相变，相变以 l o o 孪生界面的形核与扩展为标志，将整个纳米丝 从体心立方结构转变为体心四方结构。单向卸载时c u z r 纳米丝将发生反向马氏 体相变，从体心四方结构转变为体心立方结构。加载曲线和卸载曲线形成明显的 滞后回路，表明c u z r 纳米丝具有伪弹性变形效应，计算得出的最大的伪弹性应 变值为4 0 ，远远超出传统块状形状记忆合金的最大应变值( 约为5 1 0 ) 。 c u z r 合金纳米丝在单向拉伸加载和卸载条件下马氏体相变表现出明显的尺寸效 应。较长的c u z r 纳米丝在单向拉伸时，初期容易发生马氏体中间相变，即从体 心立方结构转变为不稳定的六面体心相，后期将发生马氏体相变，从不稳定的六 面体心相转变为终态的体心四方相。马氏体中间相变过程导致拉伸应力应变曲线 中出现了一个中间峰值，该峰值独立于前、后两应力峰值，并且变化幅度小于前、 后两峰；原子构形演化的细节表明该中间峰值段与最终马氏体相变形核和扩展存 在直接联系，且中间峰值段的幅值与温度有明显的关系。 关键词：1 3 - s i c 陶瓷材料，c u z r 合金，分子动力学，应力波，各向异性，增韧， 马氏体相变，伪弹性变形 i i a b s t r a c t a b s tr a c t t h es t a t eo ft h ea r to nt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n sf o rn a n o m a t e r i a l s ，e s p e c i a l l y f o rt h e i rm e c h a n i c a lb e h a v i o ri sp r e s e n t e d t h es t u d yh i g h l i g h t sa n da p p l i c a t i o n so n t h ed y n a m i cb e h a v i o r so fc e r a m i cm a t e r i a l sa n dp s e u d o e l a s t i ce f f e c to fs h a p e m e m o r ym a t e r i a l sa r ec o m p r e h e n s i v e l yr e v i e w e d t h em o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d f o rs i m u l m i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o l i dm a t t e r si se x p l a i n e dt h o r o u g h l ya n d s y s t e m a t i c a l l y t h ec h a r a c t e r i s t i c s o fs t r e s sw a v e si nd i f f e r e n tc r y s t a l l o g r a p h i c d i r e c t i o n so fb - s i c ，t o u g h e n i n gm e c h a n i s m so fd i f f e r e n t1 3 - s i cm a t e r i a l sa n d s t r u c t u r e s ，a s w e l la st h es t r e s s - i n d u c e dm a r t e n s i t i c p h a s et r a n s f o r m a t i o n s i n n a n o w i r e so fc ua n dc u z ra l l o ya r ei n v e s t i g a t e dw i t hm o l e c u l a rd y n a m i c s s i m u l a t i o n s t h ec o r r e s p o n d i n ga t o m i s t i cm e c h a n i s m sa r ed i s c u s s e d t h em e t h o d o l o g yo fm o l e c u l a rd y n a m i c si se l u c i d a t e di nd e t a i l sf r o mt h ep o i n t o fv i e wo fs i m u l a t i n gt h et h e r m o m e c h a n i c a lb e h a v i o ro fs o l i dm a t e r i a l s s o m ek e y i s s u e s ，s u c ha st h ec o n t r o lo ft e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r e ，a n dt h ei n t e r - a t o m i cp o t e n t i a l f u n c t i o n sa d o p t e di nt h ep r e s e n tc o u r s ea r ea d d r e s s e d o r i e n t a t i o nd e p e n d e n c eo fp l a n a rw a v ep r o p a g a t i o no nc r y s t a l l o g r a p h i cd i r e c t i o n i n3 - s i cm a t e r i a li ss t u d i e dw i t hm o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d s i m u l a t i o n sw e r e i m p l e m e n t e du n d e ri m p a c tl o a d i n g sf o rf o u rm a i nc r y s t a l l o g r a p h i c d i r e c t i o n si e ， 【1 0 0 ，【1 1 0 1 ，【1 1 1 】a n d 1 1 2 】r e s p e c t i v e l y t h ed i s p e r s i o no f s t r e s ss t a t e sf o rd i f f e r e n t c a s e sa b o v ei n c r e a s e sa st h ei m p a c tv e l o c i t yr i s i n g ，w h i c hi m p l ya n i s o t r o p i c c h a r a c t e r i s t i co fs h o c kw a v ep r o p a g a t i o nf o rd s i cm a t e r i a l t h eh u g o n i o tr e l a t i o n s b e t w e e nt h es h o c kw a v ev e l o c i t ya n dt h ei m p a c tv e l o c i t yi so b t a i n e d i ti sf o u n dt h a t t h es h o c kv e l o c i t yf a l li n t oap l a t e a ub e y o n dat h r e s h o l dv a l u eo fi m p a c tv e l o c i t y t h e s h o c kv e l o c i t yo ft h ep l a t e a u si sd e p e n d e n to nt h es h o c kd i r e c t i o n s ，w h i l e 【111 a n d 【112 】c a nb er e g a r d e da sa ne q u i v a l e n td i r e c t i o na st h e ya l m o s tr e a c ha s a m ep l a t e a u c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ea t o m i cs t r e s sf r o mm o l e c u l a rd y n a m i c sa n dt h es t r e s sf r o m r a n k i n e h u g o n i o tju m p c o n d i t i o n sa r ea l s op e r f o r m e d t h er e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t h e a c ho t h e rv e r yw e l l e s p e c i a l l yf o r 【10 0 】d i r e c t i o n ，p a r to fc u b i cl a t t i c ea t o m s t r a n s f o r m si n t oa m o r p h o u ss t a t ew h e nt h ei m p a c tv e l o c i t ye x c e e d st h ec r i t i c a lv a l u eo f 4 91k m s t h es i z eo ft h ea m o r p h o u sr e g i o ni sw e l lp r o p o r t i o n a lt ot h ep a r t i c l e v e l o c i t y s e v e r a lp o s s i b l et o u g h e n i n gm e c h a n i s m sf o rb - s i cm a t e r i a la r ei n v e s t i g a t e dw i t h i i i a b s t r a c t m o l e c u l a rd y n a m i c s f o rn a n o c r y s t a l l i n e3 - s i cw i t hs m a l l s i z e dg r a i n s ，t h ef r a c t u r e s t r a i nc a nb ee n h a n c e db yb r e a k i n gg r a i n si n t oa m o r p h o u sc l u s t e r s f o r3 - s i c n a n o l a m i n a t e s ，a m o r p h o u sl a y e rw i t hs m a l l e rt h i c k n e s sc a ni m p r o v et h ey i e l ds t r a i n a n ds h o wb e h a v i o rs i m i l a rw i t hp l a s t i cf l o w a l l 【1 1l 】1 3 - s i cn a n o w i r e sc o a t e dw i m a m o r p h o u sl a y e r so fd i f f e r e n tt h i c k n e s ss h o wd u c t i l eb e h a v i o ru n d e rl o wt e m p e r a t u r e ， w h i l et h et o u g h n e s sa l m o s th a sn oc h a n g e su n d e rr o o mt e m p e r a t u r e t h es t r e s s - i n d u c e dm a r t e n s i t i cp h a s et r a n s f o r m a t i o na n dr e l e v a n tp s e u d o e l a s t i c e f f e c t si nc o p p e rn a n o w i r e su n d e rl o o p so fu n i a x i a lt e n s i l el o a d i n ga n du n l o a d i n ga r e s t u d i e dw i t hm o l e c u l a rd y n a m i c s ac o m b i n a t i o no ft h e r m a la n ds u r f a c es t r e s sl e a d st o s t r u c t u r a lr e o r i e n t a t i o ni nm e t a l l i c c o o p e rn a n o w i r e ，f r o m s t r u c t u r e t o 111 ) r h o m b i cs t r u c t u r ei nr e l a x a t i o np r o c e s s i fu n i a x i a lt e n s i l el o a di s a p p l i e d ，t h e r e o r i e n t e d 1 l1 ) s t r u c t u r ec a nt r a n s f o r m e db a c kt o s t r u c t u r e s t r e s sa n ds t r a i nb o t hc a nr e t u mb a c kt oz e r oi fu n l o a d i n gi sp e r f o r m e d b e f o r ee l a s t i cl i m i tr e a c h e d t h el o a d i n gc u r v ea n dt h eu n l o a d i n gc u r v ef o r ma h y s t e r e s i sl o o p ，w h i c he x h i b i t sg o o dp s e u d o e l a s t i ce f f e c t sf o rc o p p e rn a n o w i r e s t h ep s e u d o e l a s t i ce f f e c t si n d u c e db ym a r t e n s i t i cp h a s et r a n s f o r m a t i o nf r o m b o d y c e n t e r e dc u b i c ( b 2 ) t ob o d y c e n t e r e dt e t r a g o n a l ( b c t ) l a t t i c e i nc u - z r n a n o w i r e sa r e i n v e s t i g a t e d w i t hm o l e c u l a r d y n a m i c s m e t h o d t h e p h a s e t r a n s f o r m a t i o no c c u r st h r o u g hn u c l e a t i o na n dp r o p a g a t i o no f 10 0 t w i nb o u n d a r y , w h i c hd i f f e r sf r o mt h e 10 1 ) t w i nb o u n d a r yf o r b 2n i a in a n o w i r e s i n v e r s e m a r t e n s i t i cp h a s et r a n s f o r m a t i o no c c u r r i n gi nt h eu n l o a d i n gp r o c e d u r ew i l ll e a dt of u l l r e c o v e r yo fap s e u d o e l a s t i cs t r a i nu pt o4 0 ，w h i c hf a re x c e e d st h ep s e u d o - e l a s t i c s t r a i no f5 10 f o rb u l ks h a p em e m o r ya l l o y s t h eo b t a i n e dr e s u l t si m p l yt h a t c u z rn a n o w i r e s m a yb e ak i n do fe x c e l l e n tf u n c t i o n a l c o m p o n e n t s f o r n a n o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s t h em a r t e n s i t i cp h a s et r a n s f o r m a t i o ni nc u z r i n t e r m e t a l l i cn a n o w i r e sr e v e a l ss i g n i f i c a n ts i z ee f f e c t i nt h ei n i t i a ls t a t eo fu n i a x i a l l o a d i n g ，t h el o n gw i r e su n d e r g o am a r t e n s i t i c i n t e r - p h a s et r a n s f o r m a t i o n ，f r o m b o d y - c e n t e r e dc u b i cp h a s et ou n s t a b l eb o d y - c e n t e r e dh e x a h e d r a lp h a s e a si n c r e a s i n g t h el o a d i n g ，t h el o n gw i r ew i l lc o m p l e t et h em a r t e n s i t i cp h a s et r a n s f o r m a t i o n ，f r o m b o d y c e n t e r e dh e x a h e d r a li n t e r - p h a s et ob o d y c e n t e r e dt e t r a g o n a lp h a s e am i d p e a k w h i c hi n d e p e n d e n tf r o mt h ef i r s ta n dt h el a s tp e a ki so b s e r v e di nt h es i m u l a t i o na n d t h em a g n i t u d eo ft h em i d p e a ki sl e s st h a nt h a to ft h et w op e a k s t h er e l a t i o nb e t w e e n t h em i d p e a ka n dt h em a r t e n s i t i ci n t e r - p h a s et r a n s f o r m a t i o ni sv e r i f i e db yt h ed e t a i l s o fa t o m i s t i cc o n f i g u r a t i o n s i v a b s t r a c t k e yw o r d s ：p - s i cc e r a m i cm a t e r i a l ，c u z ra l l o y , m o l e c u l a rd y n a m i c s ，s t r e s sw a v e ， a n i s o t r o p i c ，t o u g h e n i n g ， m a r t e n s i t i ep h a s e t r a n s f o r m a t i o n ，p s e u d o - e l a s t i c d e f o r m a t i o n v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字f i 期：砬迪：尘：l 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 母么丌口保密( 年) 储签名：通生 签字日期：塑! 呈：! ：l 导师签名：q 鲢 签字日期：塑! ! ：鱼：! ： 第一章绪论 1 1 纳米科学技术 第一章绪论 1 1 1 纳米科学技术的发展 如果将人类所研究的物质世界用长度描述，我们可以得到智力所能延伸到的 物质世界的范围。目前，人类所能研究的物质世界的最大尺度是1 0 2 5 m ( 约l o 亿 光年) ，这是我们已观测到的宇宙的大致范围；而所能研究的物质世界的最小尺 度为1 0 1 9 米( o 1 阿米) 。 纳米科技是指在纳米尺度上研究物质的特性与相互作用，以及利用这些特性 的多学科交叉科学与技术。当物质小到卜1 0 0 纳米时，其相应的量子效应物质的 局域性及显著的表面和界面效应使得物质呈现与宏观物质截然不同的特性。科学 家和工程师可以利用这些特性研究和制造新颖的产品。 最早提出纳米尺度科学和技术问题的是现代著名的物理学家、诺贝尔物理学 奖得主理查德费曼教授，他在1 9 5 9 年的一次演讲中f l j 指出：如果人类能够在 原子或者分子尺度上加工材料和制备装置，那么我们将会有许多激动人心的新发 现。“纳米”一词最早用到技术上是日本于1 9 7 4 年底首先提出的，但是直到2 0 世纪8 0 年代，科学家才以纳米来命名材料。 1 9 7 4 年，t a n i g u c h i 2 】最早使用纳米技术一词来描述精细加工。2 0 世纪7 0 年 代末，麻省理工学院教授d r e x l e r 开始提倡纳米科学技术的研究，而许多科学家 对此持怀疑的态度。1 9 8 1 年，d r e x l e r 3 】发表了第一篇关于分子纳米技术的论文， 提出了一个人造分子机器的设想。随着扫描隧道显微镜【4 】( s c a n n i n gt u n n e l i n g m i c r o s c o p e ，s t m ) 和原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，a f m ) 等微观 表征和操作技术的出现，纳米科技进入了真正高速发展的新时期，材料研究也进 入到了一个全新的阶段。1 9 9 1 年，美国i b m 公司的e i g l e r 等”】利用s t m 在金属 镍板上用原子书写了“i b m ”字样，这是人类第一次直接操纵原子。1 9 9 1 年， n e c 公司的i i j i m a t 6 】发现了碳纳米管，其质量是相同体积钢的六分之一，强度却 是钢的l o 倍，被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；1 9 9 7 年， 美国科学家首次成功地研制出单电子移动技术，人们预期利用这种技术可望在 2 0 年左右的时间内研制成功速度和存储容量都比现在的计算机高成干上万倍的 量子计算机。 进入2 1 世纪后，纳米科技成为科技界最具影响力的三大领域之一。近年来， 一些国家纷纷制定相关战略规划，投入巨资抢占纳米技术战略高地，纳米技术更 取得突飞猛进的发展。高性能纳米固体材料制备技术的不断完善，使得新纳米材 第一章绪论 料的研制取得重大突破。2 0 0 0 年，中国科学院金属研究所卢柯等【7 1 成功研制出能 够延伸约5 0 倍的纳米多晶铜块体，反映了纳米多晶材料可有具备很好的超塑性。 2 0 0 1 年，美国佐治亚理工学院王中林等嘲成功合成了宽3 0 3 0 0 n m 、厚5 1 0 珊、 长度约数毫米的纳米带( n a n o b c l t ) ，这是迄今为止唯一被发现的具有结构可控并 且无位错缺陷的宽带半导体准一维带状结构，比碳纳米管具有更独特和优越的物 理性质。2 0 0 4 年，卢柯等 9 1 通过在高纯度铜中引入高密度的纳米级孪晶边界，得 到了强度比普通铜高l o 倍且电阻与纯铜相近的样品，而传统制备方法中提高材 料强度势必提高电阻，遮一发现改变了纳米材料制备的发展方向。图1 1 给出了 纯铜的纳米级孪晶边界。 图12 石墨烯结构 第章绪论 2 0 0 6 年，借助于原子力显微镜，王中林等”利用竖直结构的氧化锌( z n o ) 纳米线的独特性质，发明了能将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置 直立式纳米发电机。在此基础上，随后2 0 0 7 年和2 0 0 8 年初，他们又先后发明 了超声波驱动的直流纳米发电机【i ”和纤维纳米发电机i l ”，纳米发电机将在生物 医学、军事、无线通信和无线传感等领域有广泛的应用前景。这项发明可以整合 纳米器件，实现真正意义上的纳米系统；可以收集机械能、震动能、流体能量， 并将这些能量转化为电能提供给纳米器件；纳米发电机产生的电能足够使纳米器 件或纳米机器人实现能量自供。图1 3 是纤维纳米发电机示意图。 口 图1 3 王中林等制造的纤维纳米发电机 值得指出的是，纳米尺度下新物质特性和现象使得现代科学技术的发展不断 融合发展，物理、化学、生物和力学等学科相互交叉，出现了很多新的研究领域， 如纳米力学、纳米电子学等。 112 纳米材料 纳米材料主要是指某一个或多个方向的尺寸小于l o o n m 的材料n ”。与传统 材料不同，纳米材料的尺寸因素能在很大程度上决定其本身的特殊性能。 纳米材料可以分为三类，分别是离散纳米材料( d i s c r e t en a n o m a t e r i a l s ) 、纳 米器件材料( n a n o s c a ed e v i c em a t e r m s ) 、块体纳米材料( b u l kn a n o m a t e r i a l s ) 。离 散纳米材料的尺寸一般为l l o n m ，并且作为单个实体存在，例如纳米粒子和纳 米丝等。纳米器件材料是指纳米器件中承担特殊功能的材料单元例如半导体设 备中的金属氧化薄膜。而块体纳米材料在宏观尺寸上与传统材料无异，其微观结 第一章绪论 构( 晶粒、晶界等) 处于纳米层级。从材料的尺度上来看，离散纳米材料一般为零 维( 纳米粒子) 或者一维( 纳米丝，纳米管) ，纳米器件材料为二维，块体纳米材料 则是三维材料。表1 1 列出了纳米材料类型和它们之间的比较。 表1 1 纳米材料类型及比较 1 1 3 纳米力学 当材料的尺寸接近纳米层级时，传统的连续介质力学体系无法解释许多出现 的新现象，因此迫切需要建立新的方法体系来认识、理解和表征这些新现象特征 与机理【1 5 】。 力学作为工程学科的这一本质，决定了其不会长久的停驻于同一学科或者某 一具体学科。早在2 0 世纪5 0 年代，钱学森就认识到现代力学与现代物理结合的 必要性，提出了从量子力学、原子分子物理学和统计力学出发，通过计算机模拟 极端条件下的材料本构关系。纳米力学正是钱学森关于其物理力学思想在纳米科 技领域的延伸。 纳米力学主要研究原子和分子尺度下材料的微结构力学特性以及变形的微 观机制。扫描隧道显微镜、原子力显微镜以及高分辨率电子显微镜( h i g h r e s o l u t i o ne l e c t r i cm i c r o s c o p e ，h r e m ) 等新出现的实验观测手段使得纳米力学 的研究有了更高的技术支撑，极大地推动了纳米力学的发展，使得纳米力学的研 究具有了现实的理论意义和应用价值。w e n 等【i6 j 利用原子力显微镜直接测量了 直径为1 8 - - 一3 0 4 n m 的氧化锌纳米丝的力学性质，并提出了氧化锌纳米丝弯曲和 拉伸的力学模型。 。 现代纳米技术的最终目标是从原子尺度开始构建材料结构并实现特定材料 功能。传统的纳米力学实验手段可能存在各种各样的问题，无法全面地对材料的 微结构性能进行研究。例如，科学家运用d n a 螺旋作为基本单元来构建固体材 料时，必须全面获取不同d n a 螺旋的结构信息表征。计算机模拟能很好地解决 了这问题，无需引入过多的简化假设，能够充分接近实际的复杂情况，得到许 多实验无法获取的数据结果，并深入揭示其内在机制。 4 第一章绪论 基于量子力学第一性原理的模拟方法准确性最高，但能模拟的原子数目有 限。分子动力学方法( m o l e c u l a rd y n a m i c sm e t h o d ) 使用各种近似经验势函数描 述原子分子间的相互作用，按照经典牛顿运动定律得到原子以及分子的运动轨 迹，可以提供材料变形过程中原子运动的细节，深入探讨微观机制，具有实验和 理论研究无法替代的优势。s c h i o t z 等【1 7 】利用分子动力学方法模拟了多晶铜的力 学行为，发现随着纳米晶粒尺寸减小，多晶铜将不断软化。进一步研究表明，这 一反h a l l p e t c h 效应是由晶界原子相互滑动造成的。 第一章绪论 1 2 陶瓷动态力学性能研究现状 陶瓷是具有高硬度和高强度的一类工程材料，常见的陶瓷基有s i c 、a 1 2 0 3 、 s i 3 n 4 和s i 0 2 等，其中s i c 作为第三代宽禁带半导体材料的代表，被称为“应用 潜力巨大的极端电子学材料 。碳化硅具有耐高温、耐腐蚀、强度高、高键合能 和高热导率等( 18 】一系列优异性能，在石油、化工、机械、航天和核能等领域被 广泛应用。 陶瓷材料作为有广泛应用前景的防护材料，其动态力学性能一直是材料学和 力学界的研究热点。布朗大学的r a i s e r 和c l i f t o n 坶j 等人研究了陶瓷材料和玻璃 材料在平面冲击载荷下的力学响应，发现了a a 1 2 0 3 材料在应力条件下沿晶界能 形成可控的裂纹，并根据实验得到的拉伸波传播历程推导出一个预测裂纹演化的 简单模型，这为理解陶瓷材料中裂纹的形成机制以及陶瓷强化提供了一定的理论 基础。m e y e r s 2 0 , 2 1j 在对粗颗粒s i c 粉末的冲击实验中发现，局部剪切作用使得粗 颗粒的s i c 完全破碎，而中等颗粒和细颗粒的s i c 则能形成一个完整键合的薄层， 这表明陶瓷在高应变率下的断裂过程与裂纹的尺寸直接相关，而裂纹尺寸又由颗 粒的粒度限制，因此控制s i c 颗粒的尺寸对于s i c 材料的增强具有重要的意义。 f e n g 2 2 2 3 j 研究发现，多晶s i c 在平面冲击载荷下，侧向约束使得其h o g o n i o t 弹 性极限( h e l ) 从4 5 g p a 跃升到7 0 g p a ，当材料到达h e l 值后，随着压力的增 大逐渐软化，f e n g 指出这种非弹性变形可能是由晶粒微观塑性和裂缝强约束相 关的非均匀变形引起的。通常情况下，材料在冲击载荷下达到h u g o n i o t 弹性极 限时都会直接发生破坏失效，而有些材料却能显示出不寻常的滞后失效现象，例 如玻璃材料，传统观点认为多晶材料不会出现该现象。b o u r n e 等人【2 4 】在对多晶 s i c 的平面冲击和分离式h o p k i n s o n 压杆( s h p b ) 实验中，第一次观测到多晶材 料s i c 的滞后失效现象，该现象的产生与表面形成的失效波有关，并且失效波的 传播与表面处理有密切联系。h o l m q u i s t 和j o h i l s o n 【2 5 1 利用实验数据拟合出了j h l 型脆性材料本构方程中的基本参数，并利用该方程预测了高速冲击载荷下s i c 的 响应，与高速冲击的实验结果十分吻合。 对于脆性的陶瓷材料，高速冲击载荷下裂纹和孔洞的形成与演化对其变形失 效起着至关重要的作用，而传统实验方法在揭示材料失效相关的微观变形机制和 原子细节方面存在局限性。近年来，部分研究者开始采用原子模拟方法模拟陶瓷 材料的力学性能，并取得了很好的效果。 y i p 等防2 8 】模拟了f l - s i c 材料的结构、表面以及热力学性质，模拟的结果与 实验数值吻合得很好。w a n g 2 9 】使用局部密度泛函方法计算了 t - s i c 的b o r n 有效 电荷、介电常数和晶格动力学的压力相关性，结果表明b o r n 有效电荷增量与体 6 第一章绪论 积压缩变形量成近似线性关系，线性转变的压力临界值为0 8 m p a ，而这与 6 h s i c 中的相应计算结果不符。d e v a n a t h a n 等f ) o 】采用修正的t e r s o f f 势函数，得 到了s i c 中s i 和c 原子分别作为主轰击原子的临界位移能，证明了临界位移能 具有强烈的各向异性。基于d e v a n a t h a n 的修正势函数，g a o 和w e b e r 3 l j 利用分 子动力学模拟了p - s i c 中5 0 k e v 高能位移瀑布效应，该效应的持续时间比金属 短1 0 倍，位移后s i c 中的主要缺陷为碳间隙原子和空位原子，这一发现对实验研 究中子辐射环境下s i c 的损伤与能量分布起到了很好的指导作用。i s h i m a r u 3 2 1 使用投射电子显微镜观测了非晶s i c 的结构特性，并采用分子动力学方法进行了 数值模拟，结果表明非晶s i c 中不仅存在异性键s i c ，还存在着大量的s i s i 和 c c 的同性键，且异性键与同性间的数量比值随着退火过程而改变。随后 i s h i m a r u i 圳利用2 0 0 k e v 高能电子辐射得到了非晶s i c ，基于该实验方法， d e v a n a t h a n 【”1 提出了通过大量移动s i c 中的碳原子来实现s i c 的非晶结构转化这 一设想，并采用原子模拟方法进行了深入的讨论。研究证明，机械作用也能引起 材料的非晶化。s z l u f a r s k a 3 5 j 等讨论了纳米压痕导致的p - s i c 非晶化，指出了s i c 的压痕模拟中力一位移响应与微结构环分布( r i n gd i s t r i b u t i o n ) 之间的强关联性，并 首次观测到了s i c 中位错环的合并。随后，s z l u f a r s k a 与其合作者1 3 6 1 进一步研究 了非晶s i c 的纳米压痕响应，结果表明非晶s i c 的硬度比晶态的1 3 - s i c 低6 0 ， 更易出现大范围的材料损伤。 随着大规模并行计算机和先进计算技术的迅速发展，陶瓷材料动态性能的原 子模拟方法越来越受到重视。v a s h i s h t a 掣3 7 】采用大规模并行分子动力学方法研 究了非晶s i 3 n 4 中的裂纹扩展问题，观测到裂纹扩展速度与断裂表面形貌之间存 在直接关联，即当裂纹扩展达到某一临界速度时，断裂表面的粗糙因子从初始的 0 4 4 提高到o 8 ，这一模拟结果很好地验证了b o u c h a u d 和n a v c o s 得到的实验现 象。随后，k a l i a 3 s 】随后研究了纳晶s i 3 n 4 的动态断裂现象，发现其晶界区域处于 非晶状态，并且能够很好的反射裂纹和引导裂纹分叉，这表明纳晶态s i 3 n 4 比晶 态s i 3 n 4 有更好的延展性。c h a t t e r j e e 等【3 9 】利用分子动力学方法模拟了s i 3 n 4 纳米 团簇的烧结过程和纳晶s i 3 n 4 的结构、力学性能，以及钻石涂层的高速冲击破坏 过程，并指出了氧化铝和碳化硅陶瓷作为未来原子模拟研究对象的意义及必要 性。2 0 0 8 年，v a s h i s h t a 等1 4 0 】模拟了氮化铝( a i n ) 在超高速冲击下的损伤机制， 观测到超高速冲击载荷引起的相变波促使a 1 n 内部逐渐从纤维锌矿( w u r t z i t e ) 结 构转变为岩盐矿( r o c k s a l t ) 结构，并且结构相变界面能够诱导纳米孔洞和扭结带 的形成。值得指出的是，他们的模拟模型包含了2 亿多个原子，这是迄今为止最 大规模的关于陶瓷动态力学性能原子模拟。图1 4 给出了a i n 在高速冲击载荷作 用下的分子动力学模拟结果。 7 第一章绪论 ， r 鬻 罔14a n 高速冲击的分子动力学转! 拟1 ”； _ 糕 ir厂，f 第一章绪论 1 3 形状记忆材料的伪弹性效应研究现状 1 3 1 形状记忆材料的发展历史 1 9 3 2 年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了“记忆”效应，即合金的 形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来 的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金( s h a p em e m o r y a l l o y s ，s m a ) 。1 9 6 3 年，美国海军武器实验室的w j b u e h l e r 4 1j 在一次偶然的 情况中发现，不同温度的t i n i 合金工件敲击发出的声音明显不同，这说明该合 金的声阻尼性能与温度相关，进一步的研究发现，t i n i 合金具有良好的形状记忆 效应，并且报道了合金x 射线衍射等实验的研究结果，至此形状记忆合金作为 一种新型功能性材料为人们所认识并作为商品进入市场。 2 0 世纪7 0 年代初，a u a i n i 合金被发现也具有良好的形状记忆效应。到1 9 7 5 年左右，相继开发出具有形状记忆效应的合金