含圆孔纳米薄膜在拉伸加载下变形机理的原子级模拟研究.pdfVIP

第57卷 第 11期 2008年 11月 物 理 学 报 Vo1．57，No．11，November，2008 1000．329O／2oo8／57(11)／7094—06 ACTA PHYSICA SINICA @2008Chin．Phys．Soc． 含圆孔纳米薄膜在拉伸加载下变形机理 的原子级模拟研究 张 杨 张建华 文玉华 朱梓忠 (厦门大学物理系，厦门大学理论物理与天体物理研究所，厦门 361005) (2008年 1月20日收到；2008年4月 19日收到修改稿) 采用分子静力学方法结合量子修正的 SuttonChen多体势研究了含圆孔的纳米薄膜在单向加载过程中的力学 行为，并采用共近邻分析方法研究了薄膜的微结构演化过程 ．模拟结果表 明：孔洞 的引入显著地降低 了纳米薄膜的 杨 氏模量和屈服应力；在拉伸过程中，孔洞的形状随着应变的增加逐渐 由圆形变为椭圆形，最终孔洞闭合；纳米薄 膜在进入塑性变形阶段后 ，薄膜 内部 出现原子的堆跺层错 ，这种层错结构的出现是 肖克莱不全位错在薄膜 内部沿 着 {1111面的[112]方向运动的结果 ． 关键词 ：纳米薄膜，力学性质 ，位错 ，分子静力学 PACC：6220F，6800，7115Q 晶镍薄膜在单向拉伸下的形变过程 ，结果表明自由 1．引 言 表面会约束原子的运动，进而影响到薄膜的力学性 能 ．Komanduri等人对不 同元素 (包括面心立方结 近20年来 ，随着微纳米器件 的出现和飞速发 构的Ni，Al，cu和体心立方结构的Fe，cr，w等)的单 展 ，低维纳米结构材料 的力学、电学、光学与磁学等 晶纳米薄膜在拉伸下的形变 、断裂等性质进行了模 物理性质的研究显得极为重要 ．纳米材料展现出一 拟，发现应力随着应变的增加先急剧增加，并达到屈 系列优异的性质 ，引起 了国内外科研工作者 的广泛 服点，薄膜 出现 “颈缩”现象，并最终发生断裂 ]． 关注 1 ．二维纳米薄膜作为低维纳米材料中的重 Yang等人对含有孔洞的纳米薄膜的弹性性质的研 要一员，它的结构和性质表现出不 同于原子、分子， 究结果表明：弹性模量和孔洞的体积分数之间成线 也不同于体材料 的特性 ，亦得到科学家们 的特别 性关系；应力的大小不仅和孔洞周围的原子有关 ，还 关注 ’． 依赖于孔洞的结构参数 ¨． 纳米薄膜在外力场下的力学响应和力学特性 ， 虽然 目前已有工作对纳米薄膜展开了研究，但 近年来也引起了人们的高度重视 ．实验表明：纳米薄 缺乏对含有微孔等缺陷的纳米薄膜在外载下的弹塑 膜的硬度和强度远低于它 的理论值 ．这是由于实验 性力学行为和形变机理作进一步的研究．本文采用 中的纳米薄膜存在着各种缺陷，如空位 、杂质、微孔 分子静力学方法结合量子修正的Sutton．Chen多体 等 ．这些缺陷的客观存在破坏了材料的结构完整性， 势对含有圆孔的镍纳米薄膜在单 向拉伸载荷下的力 严重地影响到纳米薄膜的物理性质 ．为了消除缺 学响应进行了模拟，并结合薄膜的微结构演化过程 陷的引入对纳米薄膜性质的影响，理论计算就显得 对应力．应变关系进行 了研究 ． 尤为重要 ．在 2004年 ，徐洲等人采用分子动力学模 拟研究了不同温度下单晶、多晶铜纳米薄膜 的力学 2．模拟方法与过程 性质 ，并探讨了晶粒的大小和晶界对其力学性质 的 影响 ．Huang等人采用分子动力学方法研究了单