基于分子動(dòng)力學(xué)的微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的仿真和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)和納機(jī)電系統(tǒng)是基于納米科技發(fā)展起來(lái)的新興前沿技術(shù)，當(dāng)微結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)到微米量級(jí)，甚至納米量級(jí)時(shí)，由于小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)及表面效應(yīng)的影響，微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論與方法和傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法有著本質(zhì)的不同，材料的力學(xué)特性、缺陷、彈性模量、載荷特性和失效機(jī)理等都將發(fā)生質(zhì)的變化。依據(jù)經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建立起的機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法將不能直接沿用至微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題當(dāng)中，必須應(yīng)用近代物理學(xué)的最新成果，從微觀的角度在分子尺度上去研究微機(jī)械的力學(xué)特性。本

2、文應(yīng)用分子動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)研究微結(jié)構(gòu)拉伸和壓痕過(guò)程的變形機(jī)理并定量的計(jì)算出一些力學(xué)性能，同時(shí)利用原子力顯微鏡進(jìn)行納米壓痕實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這對(duì)于全面認(rèn)識(shí)微結(jié)構(gòu)變形過(guò)程的機(jī)理，指導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，并將為微/納機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。
　　本文首先分析了微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分子動(dòng)力學(xué)仿真的一般方法，討論了適合于微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能仿真的勢(shì)能函數(shù)和求解算法，在此基礎(chǔ)之上，采用邊界層—恒溫層—牛頓層三層結(jié)構(gòu)建立了

3、單晶Cu和單晶Si納米桿微結(jié)構(gòu)單軸拉伸過(guò)程的三維分子動(dòng)力學(xué)仿真模型。仿真中采用Sutton-Chen勢(shì)描述單晶Cu原子間的相互作用；采用Tersoff勢(shì)描述單晶Si原子間的相互作用。Verlet算法的速度格式用于求解運(yùn)動(dòng)方程。Visual C++和OpenGL語(yǔ)言分別用于計(jì)算程序和圖形顯示。分別從變形機(jī)理、能量演化、應(yīng)力應(yīng)變分析和拉伸速度對(duì)變形的影響等四個(gè)方面對(duì)單晶Cu和單晶Si納米桿拉伸過(guò)程在馳豫、彈性變形和塑性變形各個(gè)階段的力學(xué)行為

4、進(jìn)行了較詳細(xì)的分析。計(jì)算結(jié)果表明，單晶Cu和單晶Si納米桿的拉伸過(guò)程均未發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，其變形機(jī)理為非晶態(tài)的塑性變形；根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算出的單晶Cu和單晶Si納米桿的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于宏觀塊狀材料，接近理論強(qiáng)度值，彈性模量的計(jì)算值和宏觀測(cè)量值基本吻合，沒(méi)有表現(xiàn)出和尺度相關(guān)。拉伸強(qiáng)度隨著拉伸速度的增大而增大，表現(xiàn)出應(yīng)變速率強(qiáng)化機(jī)制。
　　其次，使用分子動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)單晶Cu和單晶Si薄膜的納米壓痕過(guò)程進(jìn)行了仿真，以揭示其壓痕過(guò)程中的彈

5、塑性變形的力學(xué)機(jī)理并定量地提供出一些力學(xué)性能。金剛石壓頭原子和Cu原子之間的相互作用采用Morse勢(shì)描述；金剛石原子和Si原子之間的相互作用采用修改的Tersoff勢(shì)描述。為研究不同的壓痕深度對(duì)壓痕變形機(jī)理的影響，分別對(duì)幾種最大壓痕深度的情況進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，單晶Cu薄膜在壓痕過(guò)程的初期存在位錯(cuò)的產(chǎn)生，但隨后又被非晶態(tài)的塑性變形取代。單晶Si晶體在壓痕過(guò)程中發(fā)生了由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嗟南嘧儭８鶕?jù)載荷—壓深曲線計(jì)算出的壓痕硬度值大約比

6、試驗(yàn)值高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，接近理論硬度值。隨著最大壓痕深度的減小，單晶Cu和單晶Si薄膜試件的硬度和彈性恢復(fù)量均呈增大趨勢(shì)，表現(xiàn)出壓痕的尺度效應(yīng)。在仿真的同時(shí)，提出了基于AFM的納米壓痕試驗(yàn)的一般步驟并利用AFM金剛石針尖對(duì)真空蒸發(fā)鍍膜方法制得的單晶Cu薄膜的彈性模量和硬度進(jìn)行了定量測(cè)量。對(duì)不同壓痕深度下的硬度值的測(cè)量得到了壓痕的尺度效應(yīng)，證實(shí)了分子動(dòng)力學(xué)仿真模型的有效性。
　　最后，針對(duì)分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算瓶頸問(wèn)題，提出了網(wǎng)格化分子動(dòng)力