五重孪晶铜纳米线的振动特性与扭转塑性变形行为的模拟研究

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五重孪晶铜纳米线由于其卓越的性质在许多纳米元器件当中作为重要的主要构件模块或者活动组件,因而对孪晶纳米线的力学性质进行研究有着很重要的意义。本文主要进行了三部分的研究工作:对五重孪晶铜纳米线的弹性模量、振动特性以及扭转塑性变形的研究。基于分子力学模拟,本文对五重孪晶铜纳米线的弹性模量进行了研究。模拟结果表明:随着纳米线半径的增大,有效杨氏模量缓慢减小;然而有效剪切模量却随着纳米线半径的增大而缓慢增大。但是当纳米线的半径增大到一定数值后,有效杨氏模量以及有效剪切模量分别趋于一个稳定的数值。另外,本文通过核—壳复合材料模型可以很好地解释由于纳米线表面效应的存在而导致的有效杨氏模量和有效剪切模量的尺寸依赖性。基于分子动力学模拟,本文还研究了五重孪晶铜纳米线的纵向、横向、扭转振动特性。模拟结果表明:在扭转振动和纵向振动当中,振动基频与纳米线的长度成反比并且和半径无关;在横向振动当中,振动基频和纳米线长度的平方成反比并且和半径成正比。如果我们采用有效杨氏模量和有效剪切模量的经典弹性振动理论对比MD模拟结果,经典弹性振动理论可以适用于五重孪晶铜纳米线的振动。另外,在横向曲振动中,针对于本文所研究的相对较小长细比纳米线,考虑了剪切变形的铁摩辛柯梁振动理论相比欧拉—伯努利梁来说更加适用于横向振动。基于分子动力学模拟,本文最后研究了五重孪晶铜纳米线的扭转塑性变形行为。模拟结果表明:扭转塑性变形的单位临界扭转角随着纳米线内、外半径和温度的减小而增大,纳米线的长度和加载率变化对于单位临界扭转角的影响几乎可以忽略;并且五重孪晶铜纳米线的塑性变形主要取决于不全位错活动。
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