论文部分内容阅读
由于纳米材料具有一系列不同于传统材料的特殊性能，而成为当今科学研究的热点。本文应用分子动力学方法(MD)结合本研究组的改进分析型嵌入原子模型(MAEAM)，模拟研究了V纳米晶体受温度和尺寸影响的热稳定性，Zr纳米晶体的相变过程以及相变临界温度。研究样品是由Voronoi几何方法构建的，模拟过程用到了径向分布函数(RDF)、键对分析技术(CNA)、晶体截面图以及能量等分析技术和方法。 对V纳米晶体的初始结构分析显示：随平均晶粒尺寸的减小，晶界原子比率明显增加，尺寸为2.8nm的晶界原子数超过了50％。统计平均得到的晶粒内晶格参数随尺寸的减小而增大，晶格出现膨胀现象。分析原子平均能量发现，晶界原子能量不随晶粒尺寸的变化而变化，说明晶界结构没有发生变化；但晶粒内部原子的平均势能随尺寸的减小在增加，这是由晶粒内晶格畸变所造成的。 模拟不同晶粒尺寸V纳米晶体的热稳定性发现：随晶粒尺寸的减小热稳定温度明显降低，对应平均尺寸为2.8nm的V纳米晶体其热稳定温度仅为500K。分析原因最主要的是高比例高能晶界结构的存在，另外，通过分析比较发现，晶粒内部的晶格畸变也是一个不容忽视的原因。对热稳定温度范围内纳米晶体的热膨胀现象模拟得到：其热膨胀系数要明显高于传统晶体，大约是传统晶体的2倍以上；同时，模拟晶粒内的热膨胀发现，其值也要高于传统晶体。分析了热稳定温度以上晶粒的生长现象，主要表现为晶界的迁移；考虑到本文模拟的晶粒数较少且尺寸较小，所以很难观察到晶粒位向旋转引起的生长现象。 模拟研究了平均晶粒尺寸为7.05nmZr纳米晶体的相变。对1600K温度下等温相变过程模拟发现，Zr纳米晶体的相交过程分三部分完成：首先在亚稳态高能晶界区形成新相(BCC结构)晶核，对应能量的迅速降低过程；其次通过相界的迁移完成HCP-BCC的相变，由于相界的增加出现能量的升高；最后是新相的生长，对应晶界原子逐渐减少，系统能量不断降低，变为一个局部存在缺陷的BCC单晶。进一步模拟得到其相变临界温度在1200-1250K间。