航空金属块体材料电子散射与纳米碳管相关力学问题的计算模拟

论文摘要

本次硕士论文的工作包括两大部分,即,第一部分:航空金属块体材料电子散射的Monte Carlo模拟,第二部分:纳米碳管、碳纳米豆荚相关力学问题的分子动力学模拟。第一部分:航空金属块体材料电子散射的Monte Carlo模拟铝、钛、镁等合金因其具有重量轻、高强度和耐腐蚀等优异特性而受到学术界和工业界的广泛重视,已在航空航天领域的工程结构中得以广泛使用。由于辐射带、太阳能量粒子事件、银河宇宙线等因素,宇宙空间存在着大量的带电粒子且大部分的能量在百电子伏到数千电子伏之间。这些带电粒子常会对航空航天器外部材料,内部仪器和人员造成强的辐射损害。因此,应用中高能电子束来模拟宇宙空间环境对航天航空材料的影响研究显得很必要。在本文第一部分中,我们采用Monte Carlo方法,模拟了中高能电子束作用下Al、Ti、Mg、Fe合金块体中的电子散射,研究了Al、Ti、Mg、Fe金属中背散射电子BSE(Backscattered Electrons)、吸收电子AEs(Absorbed Electrons)的能量、空间分布,能量损失分布以及SEs(Scattered Electrons)的能量沉积。最终获得了一系列与铝、钛、镁、铁金属合金中能电子散射相关的非常有价值的计算结果。并对结果进行归纳整理,以积累相关材料的电子散射性能参数。第二部分:纳米碳管、碳纳米豆荚相关力学问题的分子动力学模拟纳米碳管具有优越的力学性能,弹性模量可达到TPa量级,强度和柔韧性极高。因而对于纳米碳管超常力学性质的研究一直是纳米力学领域的研究热点之一。由于实验难度大,分子模拟在揭示纳米碳管的力学行为方面显得尤为重要。基于此,本文第二部分采取的是经典分子动力学的方法来模拟研究纳米碳管的力学性能。首先,用C语言编写了一个纳米碳管生成器;其次模拟了多壁纳米碳管的径向压缩,探讨了压缩过程中能量的变化,发现多壁纳米碳管比单壁纳米碳管有更好的径向压缩力学性能;然后,研究了填充惰性气体Ne分子对C60富勒烯球在纳米碳管中碰撞的能量损失情况的影响,进而探讨碳纳米豆荚中富勒烯之间的能量传输,结果发现Ne填充降低了纳米豆荚的能量传输率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一部分 航空金属块体材料电子散射的 Monte Carlo 模拟
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 航天器的空间环境
• 1.1.2 空间环境的粒子辐射
• 1.2 中高能带电粒子环境对航天器的影响
• 1.2.1 辐射损伤效应
• 1.2.2 单粒子效应
• 1.2.3 航天器充放电效应
• 1.3 国内外关于空间辐射环境对航空航天器影响的研究与对策
• 1.3.1 航天器设计与研制阶段
• 1.3.2 航天器发射以及在轨运行阶段
• 1.3.3 航天器充放电对策研究
• 1.3.4 元器件、原材料及航天仪器的辐照试验
• 1.4 课题研究的意义和可行性
• 第二章 电子散射的Monte Carlo方法
• 2.1 散射截面的概念
• 2.2 弹性散射和非弹性散射
• 2.3 Monte Carlo 模拟方法
• 第三章 Al、Ti、Mg、Fe 块体材料电子散射模拟
• 3.1 研究对象
• 3.2 Al、Ti、Mg、Fe 块体材料电子散射特性模拟结果
• 3.2.1 BSEs 的能量与空间分布
• 3.2.2 AEs 的空间分布
• 3.2.3 SEs 能量损失的空间分布
• 3.2.4 电子散射的能量沉积
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 第二部分:纳米碳管相关力学问题的分子动力学模拟
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 势函数的选择
• 1.3 研究内容
• 第二章 纳米碳管生成器的开发
• 2.1 概述
• 2.2 纳米碳管的几何构形
• 2.3 Hyperchem 软件及其 ENT 文件格式
• 2.4 纳米碳管生成器的源程序
• 2.5 本章小结
• 第三章 单壁及双壁纳米碳管径向压缩特性的分子动力学研究
• 3.1 概述
• 3.2 研究对象与方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 压缩纳米碳管的几何构型
• 3.3.2 系统能量与载荷变化情况
• 3.3.3 压缩过程中（13,0）/（22,0）碳管的能量变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 Ne 填充对碳纳米豆荚的能量传递特征的影响
• 4.1 概述
• 4.2 研究对象与方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 碰撞变形过程
• 4.3.2 C60 分子能量传递
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学习期间的研究成果