纳米杆热屈曲与振动特性的分子动力学仿真.pdf

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4、高级工程师2015年5月ADissertationSubmittedtoChinaUniversityofGeosciencesforMasterDegreeMoleculardynamicssimulationonthermalbucklingandvibrationpropertiesofnano-rodMasterCandidate:ShiXinMajor:MaterialsEngineeringStudyOrientation:MaterialsProcessEngineeringDissertationSupervisor:A

5、ssociateProf.WenYueAssociateProf.ZhiQiaoWangAssociateSupervisor:SeniorEngineer.YiShanCaoChinaUniversityofGeosciences(Beijing)摘要金属纳米线具有独特的力学性质，因此在许多纳米元器件中都会作为重要的构件或者活动模块，而温度的变化会对其性能产生很大的影响，所以研究清楚纳米线在温度变化下的力学特性对纳结构的的设计与制造具有重要的意义。在研究过程中，实验手段有种种的限制，而模拟技术能很方便的预测研究对象的性能，分子动力学是

6、其中一种重要的方法。本文通过分子动力学仿真，对纳米杆的热屈曲行为以及振动特性进行了研究。基于Lammps平台，对纳米杆的热屈曲进行了仿真。结果表明纳米杆受热屈曲时的轴向应力随着长细比的增加而减小，在弹性变形阶段，模拟结果与考虑了表面效应的有效弹性模量所计算出的理论轴向应力值比较相符。在相同长细比的情况下，由于表面效应的影响而产生了区别，横截面积更大的纳米杆在屈曲时存在着更大的轴向应力，也具有更高的临界屈曲温度。建立了两种晶向的纳米杆，发现[111]纳米杆在屈曲时有更高的轴向应力。通过随机删除原子的方法建立了具有空位的纳米杆。在相同长细比

7、的情况下，随着空位密度的增加，屈曲应力随之减小，临界屈曲温度略微降低，当空位密度达到3%时，纳米杆过早产生了形变，内部沿{111}密排面产生滑移，屈曲应力有了大幅降低。在不同长细比情况下，发现纳米杆屈曲应力随着长细比增加而减小，但是在3%空位下不明显。在包含不同尺寸的孔洞时，发现孔洞尺寸在半径5晶格以下时对屈曲行为影响较小，当达到半径7个晶格时，屈曲应力有了明显的降低。通过拉伸后释放的方法让纳米杆产生振动。在横向振动中，一阶基频随着长度增加而减小，随着宽度的增加而增大，且为线性关系，较为符合经典欧拉梁理论中的频率关系；在纵向振动中，基频

8、同样随长度增加而减小，受表面效应影响，增大了弹性模量，导致基频随宽度的增加有略微的增大。同时，采用Liang等研究的弹性模量要比采用用宏观杨氏模量更加贴近分子动力学仿真结果。在横向振动中，随着温度的增加，对