低维金属晶体微结构与力学性能的变异性研究

论文摘要

低维金属材料在未来的电子学、光子学、化学催化、灵敏传感、磁存储等多个高新技术领域存在着巨大的潜在应用,由此类材料制成的功能器件将覆盖人类生产生活的方方面面。低维体系不仅仅是外在几何特征尺寸的简单缩小,更可能因表面效应、界面效应以及尺寸效应而表现出许多不同于传统体材的异常行为。本论文通过分子动力学、第一原理、自由电子模型等多种理论方法系统研究了不同存在形态低维金属材料的微结构与力学性能的变异性。表面能和表面应力是表征材料表面热力学特性的两个极其关键的基本参量,对于低维体系更是如此。定量分析表明,它们随着材料特征尺寸的减小均有所增长,在特征尺寸大约为2nm左右变化非常剧烈。异常高的表面能势必会破坏低维体系尤其是那些由高指数晶面围成的纳米颗粒的结构稳定性。用分子动力学方法对Pt高指数纳米颗粒的研究发现,表面区域和颗粒整体的结构稳定性存在很大差异。尽管其整体形态可以保持到1100K或者更高,但当温度升高到860K,增强的表面原子扩散就已经抹平了表面台阶。这对于那些敏感地依赖于表面微结构的特性非常致命。对于具有层状复合结构的低维体系,除表面能之外,还可能涉及到亚层之间或者外延层与基体之间的界面能以及因界面失配而产生的应变能。综合考察这三种能量之间的相互竞比,从热力学角度对比研究了Ag-Au和Pd-Au核-壳纳米棒的表面形貌演变。对于前者,Ag外延层的应变能很小,表面能和界面能最小化要求Ag外延层在Au纳米棒具有{111}小面的两端生长,促使哑铃状结构的形成。而对于后者,Pd外延层的应变能达到与表面能和界面能可比拟的程度,竞争更激烈。一开始,Pd外延层仍趋于在Au纳米棒的两端生长,当外延层的厚度大于1.88nm时,{100}取向的总自由能降为最低,Pd外延层沿{100}取向的侧面择优生长,并形成矩形结构。既然低维体系的微结构稳定性受到高的表面能和表面应力的威胁,它们势必面临自发转变的问题。最基本的方式就是多层松弛。基于自由电子模型的研究表明,Cu超薄膜的负电荷中心会偏离原子核向薄膜内部聚集,并拖拉原子核导致整体向内松弛;相反,Al超薄膜的负电荷中心会向真空区域疏散,原子核也就会随之向外。由于表面应力的附加效应,两类金属纳米线的多层松弛具有截然相反的尺寸依赖性。另一种结构转变方式就是纵向晶格的重新取向。采用静态位形方法对Au体材和线材沿EBP路径的能量分布进行了分析,发现在晶格常数比c/a约等于0.6和1.0处存在两个能量极小值,分别对应着稳定或亚稳结构。有趣的是,纳米线的稳定结构和亚稳结构似乎与完整晶体的相互发生了交换。当纳米线的横截面面积小于4.147 nm2时,表面能和表面应力同时满足自发重新取向的热力学和动力学条件。考虑到异质界面可能会提供附加应力,我们提出了用多层和核-壳结构来扩展金属纳米线自发重新取向和赝弹性特征尺寸的思想。研究发现,Au-Pd多层纳米线的重新取向在较低温是通过原子层的滑移和孪生,而在较高温是通过非晶化-晶化过程来实现。多层纳米结构中的异质界面还会诱使具有低孪生能力的Au亚层跟随具有高孪生能力的Pd亚层一起历经孪生。从而,赝弹性在具有较大特征尺寸的多层纳米线中变为可能。对于Au-核-Pd-壳纳米线,表面应力和界面应力共同作用驱使特征尺寸较大的纳米线自发从<001>取向转变为<011>取向,在恰当拉伸应力作用下它们又能恢复到原始状态。对于Pd-核-Au-壳纳米线,异质界面反倒阻止从<001>取向到<011>取向的转变,然而经单轴拉伸加载该纳米线却从<001>取向转变成< 1 12>取向。我们把这种非对称重新取向过程归因于不同的变形机制,即压缩过程的不全位错滑移和拉伸过程的全位错滑移。巨大的表面能和表面应力也可能导致低维材料力学性能的变异。采用MEAM方法研究了Au、Ag、Cu纳米线的弹性模量和理论抗拉强度。此外还用第一原理密度泛函方法对比分析了纳米线相对于完整晶体的电子密度重新分布。结果表明,随着线材特征尺寸的减小,这两个力学参量相对于传统体材均有大幅增长。我们认为在这个尺度范围材料力学性能的强化主要是由于表面应力效应和电子密度重新分布引起原子键合状态变化所致。通过分子动力学方法模拟了在高应变速率加载下金属纳米线的单轴拉伸过程,并基于此提出了用激活体积统一表征低维线材的起始塑性变形行为。在较低应变速率(6.287×108s-1)加载下,原子晶面的运动速度比声子波动速度低两个量级,原子之间保持着协调性。此时的塑性变形主要是通过具有较大激活体积的原子晶面滑移来实现,因此塑性变形的开启仅需较小的流变应力。相反,当应变速率增大两个量级,原子的集体运动已经跟不上外加变形,相互之间的协调性遭到破坏,单个原子的激活及其扩散成为主宰因素,屈服强度大幅提高。高温过程和材料本身较大的特征尺寸均有助于相对较大体积的激活,因此在一定程度上降低了屈服强度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 低维金属材料及其潜在应用
• 1.1.1 低维体系
• 1.1.2 低维金属材料的潜在应用
• 1.2 低维金属材料的微结构与力学性能的研究现状
• 1.2.1 热力学稳定性和微结构
• 1.2.2 力学性能
• 1.3 本文的主要研究内容和研究方法
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 2 低维体系的表面能与表面应力
• 2.1 表面能与表面应力
• 2.2 计算方法
• 2.3 计算结果与讨论
• 2.3.1 立方金属纳米颗粒的表面能
• 2.3.2 方形截面金属纳米线的表面应力
• 2.4 本章小结
• 3 高指数金属纳米颗粒表面的热稳定性
• 3.1 研究背景
• 3.2 模拟分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 4 双金属核-壳结构纳米棒的能量各向异性及其形貌演变
• 4.1 双金属核-壳纳米结构
• 4.2 计算分析方法
• 4.2.1 双层外延体系的表面能和界面能
• 4.2.2 双层外延体系的应变能
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 5 超薄超细金属材料的多层松弛
• 5.1 表面多层松弛
• 5.2 超薄膜的自由电子模型
• 5.3 Cu、Al 超薄膜的电子密度分布及其多层松弛
• 5.4 超细金属线材多层松弛的尺寸效应
• 5.5 本章小结
• 6 超细金属线材的自发重新取向与赝弹性
• 6.1 金属线材的稳定结构
• 6.2 金属纳米线的自发重新取向及其尺寸效应
• 6.3 双金属多层纳米线的自发重新取向
• 6.4 双金属多层纳米线的赝弹性行为
• 6.5 双金属核-壳结构纳米线的非对称重新取向
• 6.6 本章小结
• 7 超细金属线材的弹性模量与理论抗拉强度
• 7.1 引言
• 7.2 计算分析方法
• 7.3 计算结果
• 7.4 分析与讨论
• 7.5 本章小结
• 8 高应变速率加载下超细金属线材的起始塑性变形及其抗力
• 8.1 金属纳米线起始塑性变形的研究进展
• 8.2 纳米线单轴拉伸过程的分子动力学模拟
• 8.3 模拟结果与分析
• 8.4 本章小结
• 9 结论
• 9.1 全文总结
• 9.2 进一步的工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间的研究成果