拉伸载荷下金纳米管不同应变的原子结构
纳米材料由于其独特的微结构和特异力学性能如高强度、超塑性和高韧性, 纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点, 被认为是21世纪最有前途的研究领域, 其广泛应用于物理、化学、生物、微电子等诸多学科. 对于金属纳米材料, 像Mo, Cu, Ni, Fe, Al,Mg, Pt, Ag等力学性能已被广泛研究, 尺寸效应、温度和应变率等会明显地影响其拉伸力学性能, 改变材料的变形机制. 当材料尺寸减小到纳米尺度时, 它的硬度、强度和延展性都会发生很大的变化. 纳米结构的力学性能在未来的纳米电子元件的发展中也占重要的地位.计算机模拟作为科学研究的重要手段, 已被应用于多方面的学术研究, 并取得丰硕的成果, 计算机模拟方法具有重要的意义.目前, 在纳米材料力学性能的研究中, 分子动力学模拟是最为理想的模拟手段之一.
自从日本东京工业大学教授高柳邦夫领导的科研小组宣布成功研制出金的纳米管以来, 由于其独特的性质而受到全世界科学家的关注, 而对金纳米管力学性能的研究还鲜有报道. 金是良好的导体, 但微观的金纳米结构却不同于块体金属. 类似于碳纳米管, 金纳米管也具理论计算金纳米管的物理性能在光电传感器中具有较强的优势. 最近,Yang等研究了手性结构的金纳米管结合能及弦张力的影响, Zhang等研究了表层与核心层的残余应力和弹性模量对铜纳米管的影响. 因此对金属类纳米管力学性能的研究引起了世界各界学者的关注, 而对金纳米管力学性能的研究还鲜有报道.
西安邮电大学理学院苏锦芳等人采用分子动力学模拟方法, 研究了金纳米管沿不同晶向拉伸与压缩载荷下的力学性能, 并分析了金纳米管的半径对其力学行为的影响. 在模拟计算中, 采用镶嵌原子势描述金原子之间的相互作用. 模拟结果表明, 在拉伸及压缩过程中, 不同晶向的金纳米管力学性能相差较大, 在拉伸和压缩载荷下金纳米管<110>向的屈服强度最大; 在三个晶向<100>, <110>, <111>的金纳米管中, <100>晶向的金纳米管其屈服强度和杨氏模量都远远小于其他晶向. 研究结果还发现, 当纳米管的半径小于3.0nm时, 金纳米管的屈服强度没有大的变化, 而当半径大于3.0 nm后, 随着半径的增大, 其屈服强度明显降低.