模板约束状态下的非晶Fe2O3纳米线力学性能研究

论文摘要

近年来,纳米材料作为一种新型材料已引起世界范围的广泛关注,纳米技术成为二十一世纪的主流技术。对于这一具有挑战性的课题,在很多领域已对其奇特性、有用性和广泛前景作了大量研究。纳米材料的力学性能一直是研究热点,其中数值计算模拟是研究纳米材料力学性质的一种重要手段。本文选择在能源材料领域具有潜在应用前景的非晶纳米结构Fe2O3为研究对象,采用原子级模拟技术和有限元分析相结合的数值计算方法,研究非晶Fe2O3纳米线材料在模板约束状态下的晶化现象和力学行为。本文首先利用微正则系综分子动力学方法模拟室温下非晶Fe2O3纳米线的本构关系,原子间相互作用势采用基于壳层模型发展的半经验势:Born-Mayer势函数,该模型势已被证明能够有效处理金属氧化物的力学性能。计算结果比宏观Fe2O3材料的弹性模量减少了10.9%,在此基础上得出非晶Fe2O3纳米线晶化温度提高的主要原因是模板束缚所产生的压力。继而分别采用解析法和数值计算方法进行热应力分析,得出实验室观察到的晶化温度下的压应力值。最后将解析解、数值解和实验结果进行比较,验证本文所采用方法的可靠性,为实验室制备高结构稳定性的纳米材料提供了科学的参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 纳米材料分类
• 1.3 非晶态纳米氧化物
• 1.4 国内外研究现状
• 1.5 本文的工作
• 2O₃纳米线的制备及晶化转变研究'>第2章 非晶Fe₂O₃纳米线的制备及晶化转变研究
• 2.1 引言
• 2.2 一维纳米材料的应用
• 2.3 一维纳米材料的制备方法概述
• 2.3.1 气相法
• 2.3.2 液相法
• 2.3.3 模板法
• 2O₃ 纳米线的制备'>2.4 非晶Fe₂O₃纳米线的制备
• 2O₃ 模板的制备'>2.4.1 多孔Al₂O₃模板的制备
• 2O₃ 纳米线的制备'>2.4.2 非晶Fe₂O₃纳米线的制备
• 2O₃ 纳米线的晶化转变研究'>2.5 非晶Fe₂O₃纳米线的晶化转变研究
• 2.6 本章小结
• 第3章 分子动力学模拟方法
• 3.1 引言
• 3.2 蒙特卡罗方法概述
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 模拟步骤
• 3.3 分子动力学方法
• 3.3.1 基本原理
• 3.3.2 牛顿运动方程
• 3.3.3 系综
• 3.3.4 一般模拟步骤
• 3.4 原子间相互作用势
• 3.4.1 对势
• 3.4.2 嵌入原子势
• 3.4.3 多体势
• 3.5 模拟程序
• 3.6 本章小结
• 2O₃纳米材料的本构关系'>第4章 非晶Fe₂O₃纳米材料的本构关系
• 4.1 引言
• 4.2 基本理论
• 4.3 分子动力学模拟
• 4.3.1 势函数的选取
• 4.3.2 原子间相互作用力
• 4.3.3 宏微观单位换算
• 4.3.4 模型的制备
• 4.3.5 熔点的确定方法
• 4.4 本构关系的确定
• 4.5 本章小结
• 2O₃纳米线晶化温度提高原因分析'>第5章 非晶Fe₂O₃纳米线晶化温度提高原因分析
• 5.1 引言
• 2O₃和Fe₂O₃ 非晶的界面'>5.2 Al₂O₃和Fe₂O₃非晶的界面
• 2O₃ 纳米线晶化的影响'>5.3 压力对非晶Fe₂O₃纳米线晶化的影响
• 5.3.1 压力对晶相成核的影响
• 5.3.2 压力对原子扩散的影响
• 5.4 本章小结
• 2O₃纳米线的热应力分析'>第6章 模板约束状态下非晶Fe₂O₃纳米线的热应力分析
• 6.1 引言
• 6.2 解析法
• 6.3 有限元法的力学分析步骤
• 6.3.1 结构的离散化
• 6.3.2 选择位移插值函数
• 6.3.3 分析单元的力学特性
• 6.3.4 计算等效节点载荷
• 6.3.5 整体分析
• 6.3.6 求解
• 6.4 非线性有限元分析
• 6.4.1 单孔模型的有限元计算
• 6.4.2 多孔模型的有限元计算
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介