纳米铜晶胞体积弹性模量变化规律的分子动力学模拟
200
9年12月
农业机械学报
第40卷第12期
纳米铜晶胞体积弹性模量变化规律的分子动力学模拟*
李冠楠
苗恩铭
费业泰
(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院。合肥230009)
【摘要】用分子动力学的方法详细模拟纳米铜晶胞随温度与压强变化的规律,得到了铜晶胞体积弹性模量突
变的敏感压强点。模拟结果表明:单晶铜的在压强小于75GPa时体积弹性模量随温度升高而降低,随压强增大而增大;在压强大于75GPa时,体积弹性模量随温度升高而增大,随压强增大而减小。
关键词:分子动力学纳米铜晶胞体积弹性模量中圈分类号:0733
文献标识码:A
MolecularDynamicsSimulation
ModulusofCrystal
forVariationRelationshipofVolume-elasticityCuwithPressureandTemperature
MiaoEnming
FeiYetai
LiGuannan
(SchoolofInstrumentScienceand
Opto-electronic
Engineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)
Abstract
Thevariation
relationship
of
volume—elasticitymodul惦ofcrystal
gain
a
Cuwith
pressure
and
temperatureWasanalyzedbymoleculardynamicssimulation,to
sensitive
pointofpressure
value.Theresultsshowsthevolume-elasticitymodulusofcrystalCudecreasesastemperaturerises,butincreasesaspressurerisesbeforethepoint75GPa;whereas,exceedingtheelasticity
point,the
rises.
volume-
modulus
ofcrystalCuincreases
as
temperaturerises。butdecrease
as
pressure
Keywords
Molecular
dynamics,Nano
crystalCu,volume—elasticitymodulus
引言
常规的测量材料力学性能的试验受到高温和精确度的限制,而从微观角度进行模拟不仅可以排除常规试验中由于材料的错位、裂纹、气孔带来的诸多干扰,还能够实现高温与高压的监测【1-5】,使用分子动力模拟铜晶胞体积弹性模量具有较高的精确性和可靠性。在以往的研究中,研究人员通常通过控制其他变量来探究单一变量如温度或压强对单晶铜体积弹性模量的影响,本文在研究中综合考虑压强和温度的共同作用,通过分子动力模拟的方法,探讨了在不同温度和压强下的纳米铜晶胞的体积弹性模量规律,包括常温下模拟单晶铜体积弹性模量随压强变化的动力学模拟和不同压强下单晶铜体积弹性
收稿日期:2008—12—17修回日期:2009一04—22
模量随温度变化的情况。所得出的结论不仅可作为微观物理力学的研究数据参考,也可用于与常规试验得到的铜材料的力学性能进行对比。
1
分子动力学计算方法和模型的选择
LJ势函数是最常用和普遍的势函数,可以广泛
地应用于各种体系。分子动力模拟正是应用这些力场并根据牛顿运动力学原理而发展的计算方法。其优点在于系统中粒子运动有正确的物理依据,精确性高,可同时获得系统的动态与热力学统计资料试验数据。故本文采用是Lenard-jones(LJ)势函数[6】,其数学表达式为
附)-4e[㈠12一㈠6]
式中
(1)
r——原子对间的距离
*国家自然科学基金资助项目(50475069)和国家科技重大专项(2009ZX04014—023—02)作者简介:李冠楠,硕士生.主要从事精密机械工程研究,E-mail:guannanliS713@gmail.∞m通讯作者:苗恩铭,副教授,主要从事精密机械工程研究,E.marl:miaoem@163.coin
第12期李冠楠等:纳米铜晶胞体积弹性模量变化规律的分子动力学模拟
229
e、盯——势能参数
293K,然后每次模拟升高10K.当目标温度达到先由系统中各原子的位置计算势能,再由
373
K时,每次升高100K,直到973K。分子动力学
R—Vtu一(z毒+J云+志毒)u(2)
计算时间步长取0.01ps,每一次都要进行足够充分的弛豫时间1ns。最后得到单晶铜体积弹性模量在计算系统中各原子所受的力,由
真空下随温度变化曲线,如图2所示。
口i
2i
(3)
正
。裔
计算系统中各原子所受的加速度。然后由
翻
辎
f口f=口?+air
越被
1铲r?+铆缸+号呼z
‘4)
Zuu
400
6uu
甚‘,u
lu‘,U
温度T/K
得到经过后各分子的位置和速度,不断重复以上步
图2真空下弹性模量随温度变化曲线
骤得到轨迹。
Fig.2
Variationrelationshipof
volume-elasticmodulusof
在计算中,本文采用Velert[71所发展的数值解crystalofCuwithtemperaturechanginginvacuum
法即跳蛙算法,此方法计算速度与位置的数学表达2.2常压状态
式为
模拟过程同样为先对理想初始构型进行自由弛让(t+号&)=口“t一号&)+口;(t)&
豫,达到能量最低的温度构型,得到自由态的单晶
(5)铜。然后在常压下逐渐升高温度。初始温度293
K,
_(£+&)=rf(£)+耽(£+丢&)&
(6)
然后每次模拟升高10K,动力学计算时间步长
0.01
ps,弛豫时间1ns。当目标温度达到473K后。计算时,设已知掣;t--丢&)
ri(£),则有≠时刻的
每次升高50K,动力学计算步长0.01ps,弛豫时间
位置以(£)计算质点所受的力与加速度口;(t),再依
2
118,直到达到目标温度973K。最后得到单晶铜体
式(6)预测时间为£+虿1&时速度£;(£+号&),依
积弹性模量在常压下随温度变化曲线,如图3所示。
此类推。利用跳蛙算法仅需储存q(£一号&)与心
两种资料,可节省存储空间。计算的铜晶胞模型为誊
面心立方的铜晶胞,如图1所示,晶格常数为口=
萋
0.361
nm,X、Y、Z的坐标轴分别对应面心立方晶
体的[10
0]、[0
1
0]、[0
0
1]晶向,共14个原子,采
温厦T/K
用周期性边界条件。
图3常压下弹性模量随温度变化曲线
Fig.3
Variationrelationshipof
volume-elasticmodulusof
crystalofCuwithtemperaturechangingin
room
pressure
由图2~3大致可以看出在真空和常压下单晶铜的体积弹性模量随温度的升高而减小,大致呈线性下降。对应真空下的拟合直线斜率为一1.056×10~,而对应常压下的拟合直线斜率为一1.067×10~,相差并不太大,后续的试验将对拟合的斜率
图1铜晶胞模型
作进一步分析。
Fig.1
ModelofcrystalofCu
3常温下随压强变化的动力学模拟
2随温度变化的模拟
模拟过程先对理想的初始构型进行自由弛豫,2.1真空状态
设定目标温度为298K,达到能量最低的温度构型。模拟过程为先对理想的初始构型进行自由弛得到自由态的单晶铜。然后在常温下逐渐增加体系豫,达到能量最低的温度构型,得到自由态的纳米单的压强。初始压强为0GPa,即为真空下,第1步模晶铜,然后在真空条件下,逐渐升高温度。起始温度
拟目标压强为0.001
GPa,第2步模拟目标压强为
230
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200
9芷
0.01
GPa,第3步的模拟目标压强为0.1GPa,第4
步的模拟目标压强为1GPa,第5步的模拟目标压强为10GPa。以后每步增加5GPa。直到100
GPa。
初始5步的动力学计算时间为0.01ps,弛豫时间为1
as,以后每步的动力学时间为0.01ps,弛豫时间为2D-¥。最后得到单晶铜体积弹性模量在常温下随压强变化的数值结果,如图4所示。
蛊
害
咖娜趟最
UlUZ0)U
40
50007080
90
100
压强P/GPa
图4常温下弹性模量随压强的变化曲线
Fig.4
Variationrelationshipofvolume—elastic
modd∞of
crystalofCuwithpresstl:re
changinginroomtemperature
由图所示,随着压强的增大,单晶铜的体积弹性模量显著增大,但是在75GPa时发生跳变。开始随压强增大而减小。体积弹性模量增大时变化趋势呈线性,而越过临界点后,体积弹性模量快速下降。这种现象在以往体积弹性模量研究文献中都没有讨论,经分析,在以往的研究中由于大都采用了对体积弹性模量随压强变化数学模型的简化形式,造成了一定误差的存在,而这种误差影响在高压下可能会为了明确这一现象,并验证所发现的临界点是否真的存在,进行了后续的试验,在不同压强下模拟单晶铜体积弹性模量随温度的变化情况。
选取不同的压强环境,体系压强数值分别为1、10、50、74、75、76和80GPa。模拟过程同样为先对GPa下升K,初始温度设定为273K。分子动力ps,弛豫时间1n8。最后观察由图5~11可以发现,在75GPa前单晶铜的体K范围内弹性模量集中在102~103GPa之间,图6中弹性GPa之间,如图7中弹性模量GPa之间。图8中弹性模量集中在
GPa之间,图9中弹性模量集中在306~
芒
童
蓁
氍
温度T/K
图5
1
GPa下弹性模具随温度的变化曲线
Fig.5
Variationrelationshipofvolume-elasticmodulus
of
crystalofCuwithtemperaturechanginginlGPa
皇
量
蓁
最
温度T/K
图6
10
GPa下弹性模量随温度的变化曲线
Fig.6
Variationrelationshipof
volume-elastic
modulus
of
crystalofCuwithtemperaturechanging
in10GPa
叠童
篓
赦
温度T/K
图7
50
GPa下弹性模量随温度的变化曲线
Fig.7
Variationrelationshipof
volume-elastic
modulusofcrystalofCu
withtemperature
changing
in
50GPa
孟■塞
辎赳戢
湿厦T/K
图8
74
GPa下弹性模量随温度的变化曲线
Fig.8
Variationrelationshipof
volume-elastic
modulus
of
crystal
ofCuwithtemperaturechangingin74GPa
GPa之间等。而在同一压强下,体积弹性模量
GPa开始,体积GPa环境下的弹性模迅速增大。
4不同压强下随温度变化的动力学模拟
理想的初始构型进行自由弛豫,达到能量最低的温度构型,得到自由态的单晶铜。然后在1高温度,由于只需要验证体积弹性模量的变化趋势,每步升高100学计算时间步长0.01试验所的数据结果,如图5~11所示。
积弹性模量随压强增大而增大,且弹性模量值分别集中在不同的区间范围内,如图5中,在527模量集中在132~133集中在243--245303~305
307
都随温度升高呈减小趋势。但从76弹性模量在同一压强下开始随温度上升而增加,如图10显示的变化趋势,此时体积弹性模量随压强增大而减小(图4)。图11为80量随温度变化规律,其随温度上升而增加更加明显.呈线性增加状态,图11对采集的数据点进行拟合所得直线与实测数据吻合较好。同时为了寻找拟合曲
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231
芒■錾
端掣最
温度T/K
图9
75
GPa下弹性模量随温度的变化曲线
Fig.9
Variationrelationshipofvolume-elasticmoduhlsof
crystalofCuwithtemperaturechangingin75GPa
叠
量
篓
最
温度T/K
图10
76
GPa下弹性模量随温度的变化曲线
Fig.10
Variationrelationshipofvolume-elastic
modulusof
crystalofCuwithtemperaturechaningin76GPa
罡
量
萋
融
温厦T/K
图1l
80
GPa下弹性模量随温度的变化曲线
Fig.11
Variationrelationshipofvolume-elastic
modulusof
crystalofCuwith
temperaturechangingin80GPa
GPa下的体积弹性模量随温度变化的趋
势,对其趋势进行拟合获得了一系列的拟合直线,各对表1数据进行综合处理可获得斜率的变化规由图中可知,在75GPa前,拟合直线的斜率大GPa后,考虑到晶体Cu相互作用势遵从Morse势,即一个原子的平均相互作用势能为【8】
声(r)=Dexp(D/2)∑[exp(一2a(air—
j
ro))一2exp(一口(口,一ro))](7)
式中包含指数函数,故进而将本文所模拟体积弹性模量随压强变化规律改以随压强对数关系变化规律
进行描述,如图13所示,在接近10.5GPa前变化规
表1拟合直线斜率随压强的变化趋势
Tab.1
Variationrelationship
ofslope
of
fitting佃rv憾
with
pressurechanging
压强p/GPa
拟合直线斜率
压强p/GPa
拟合直线斜率
1
—1.143×10-370—0.743×10—310—O.714×10—374—1.000×10—320—O.914×10—375—0.914×10—330—1.000×10—3763.511×10—340—0.914×10-3
803.629×10—350—0.743×10—3
852.000×10—360
—1.039×10—3
90
1.371×10—3
表2弹性模量数值范围随压强的变化趋势
Tab.2
Relationshipofrangeofmoduluswith
pressurechanging
压强
Od弹性模量压强Od弹性模量p/GPa
数值范围/GPa
p/GPa
数值范围/GPa
1102.6—102.070294.3~293.910132.6~132.374304.1~303.620.162.7~162.2
75306.5~306.0
30191.1~190.676284.3~302.540218.3~217.880205.3~207.150244.3——243.985164.5~165.560
269.6~269.1
90
137.7~138.4
褂孺
螂删
司Ⅱ
套
图12各压强下弹性模量随温度变化拟合直线斜率
Fig.12
Slopeoffitting
curve
fortherelationshipofmoduluswith
pressure
changing
瑚姗
芒
塞
瑚删
辎瑚
趟被
啪啪
如
压强P/Pa
图13体积弹性模量随压强变化的趋势对数关系
Fig.13
Logarithmicrelationshipof
volume-elasticmoduhls
with
pressure
changing
线的规律,又增加试验分别模拟了20、30、40、60、
70、85、90
直线斜率如表1所示,其所属数值范围如表2所示。
律,如图12所示。
致不变,约为一0.9×10.3上下变动。而75拟合直线的斜率迅速减小。
232
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200
9拉
律与以前研究人员用统计物理计算得出的简化弹性模量随压强对数变化规律数学模型相同,但大于此值后,出现的模拟结果与传统结论认为弹性模量仍然以极快的速度无限变大相反,在经过一个最大值后出现了迅速下降现象。
一定时,单晶铜的体积弹性模量随温度升高而减小,减小趋势也大致呈线性,拟合直线的斜率约等于一0.9×10_3;而在这个临界点后,温度一定时,单晶铜的体积弹性模量压强增大而迅速减小,趋势不再为线性,而压强一定时,单晶铜的体积弹性模量随温度升高而增大,增大趋势仍然呈线性,但拟合直线的斜率变化显著。综合压强与温度的作用,发现压强改变对于单晶铜的体积弹性模量影响更为显著,而不同温度带来的弹性模量改变范围仅为1~
2GPa。
5结束语
通过使用分子动力学试验,发现了对体积弹性模量变化规律起重要影响的压强临界点75
GPa。
在这个临界点之前,温度一定时,单晶铜的体积弹性模量随压强增大而增大。增大趋势近似为线性,压强
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作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
李冠楠, 苗恩铭, 费业泰, Li Guannan, Miao Enming, Fei Yetai合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,合肥,230009
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