微纳米尺度的力学行为

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世界科技研究与发展

2004年8月

微纳米尺度的力学行为

杨 卫

(清华大学工程力学系,北京100084)

摘 要:本文展述微纳米尺度力学行为的若干新进展:(1)微纳米尺度的断裂行为)侧重于从离散位错区到无位错区再到原子运动混沌区的纳观断裂力学描述;(2)微纳米尺度的塑性行为)探讨位错机制被抑制后的塑性变形机制;(3)纳米晶体中的扩散)以不均匀晶界和三晶交网络的扩散为主导;(4)微纳米尺度的接触与摩擦)讨论由于接触区域小而引起的反常行为;(5)微纳米尺度的碰撞)介绍新发现的超音速激波的机理;(6)跨层次算法2从原子/连续介质的可透越区模型到握手区连结的物质点/分子动力学方法。

关键词:微纳米尺度 力学 断裂 塑性 扩散 摩擦 跨层次 纳米晶体

TheMechanicsCharacteristicofMicro2nanoscale

YANGWei

(TsinghuaUniversity,Beijing100084)

微纳米尺度力学是国际理论与应用力学联合会确立的5个力学发展新方向之一,近年来得到飞速发展。本文仅讨论与著者10年来的科研工作有密切关系的6个相关的前沿科学问题。

钝化时位错发射而造成的应力双峰分布,导致在裂纹前方的纳米裂纹形核并随之与主裂纹汇合的机制。利用纳米云纹法,我们得到了单晶硅从离散位错区到无位错区的纳观变形场,见图1[4]。由此可获得直至离裂尖4nm的应变场,比以往的裂尖位移量测结果细化了约2个量级。结果表明线弹性断裂力学K场可适用于裂纹尖端几个纳米的尺度解。对裂尖原子运动混沌区,通过探讨原子振动混沌模式在裂纹顶端随应力强度因子历史的时间演化和空间传播特征而发现:在准静态解理断裂前会发生原子混沌运动的前兆,该混沌过程所需的K场激发值仅为准静态下理论断裂韧性值的一半;位错的发射也具有混沌特征,位错在时空位置上飘忽不定的概率分布造成位错云,裂尖位错发生混沌所需的应力强度因子值亦仅为准静态理论值的一半。材料韧脆转变决定于解理与位错发射两种混沌模式在时间演化和空间传播的竞争。

1 微纳米尺度的断裂行为

微纳米尺度的断裂行为是一个多层次的问题。近年的研究结果表明:由外至内,裂纹尖端由下述嵌套区域所包围:(1)弹性区、(2)连续介质经典塑性区、(3)基于几何必需位错的应变梯度区、(4)离散位错区、(5)无位错弹性区、(6)裂尖原子运动混沌区。前三个外层区域是连续介质力学的研究范畴。我们近年的工作主要集中在后三个内层区域。

在离散位错区,我们利用位错堆积模型论证了受约束金属薄层的断裂韧性随层厚的下降

[1]

[1,2]

,建立

并提出了由裂纹DFZ前位错反塞积所驱动的准解理断裂理论[3]。该理论解释了裂纹钝化后再出现脆性解理断裂的有趣现象,定量地表达了由于裂纹

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并发展了材料微结构演化的模拟算法。

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2 微纳米尺度的塑性行为

常规晶体的塑性行为基于位错理论。但当晶粒尺寸减小到20nm范围内时,实验表明晶粒内鲜有位错存在。纳米晶体由仅可弹性畸变的晶粒和可物质扩散的晶界组成。纳米晶体的塑性机制是固体力学的一个重要问题。Ashby的四晶粒团簇模型尚未形成一个变形的闭环。我们提出了9晶粒团簇模型,整个变形环节由插入过程和旋转过程构成。该环节可循环往复,实现任意延伸率。我们建立了考虑插入和旋转过程的纳米晶体塑性理论

[5]

分子动力学是研究微纳米尺度高速变形的一种手段。我们提出一种高效率、具有O(N)计算性能的并行分子动力学数值模拟方案。采用该方法对纳米结构进行了并行分子动力学数值模拟[7]。已经实现对100万个原子的系统进行数百万步的国内计算量最大的分子动力学模拟,见图2。模拟结果表明:(1)高速大变形由堆垛层错的形成所主导;(2)出现从长程有序到短程有序的转变;(3)晶粒半径分布变宽,平均半径随变形增加;(4)晶粒长大的主要机制是小转动下由堆垛层错穿越晶界的汇合机制和大

转动下由堆垛层错平行扫过晶界的孪晶机制。

,在不需

[6]

任何拟合参数的情况下定量地模拟出纳米铜的蠕变数据。对该模型已经完成了二维和三维的推广

,

图1 单晶硅裂纹尖端处的垂直位移场云纹图,左:无云纹错配;右:

有错配应变和错配角

图2 多晶纳米铜在快速拉伸变形下的局部晶序图,左:2%;右:39%

3 纳米晶体中的扩散

对微纳米尺度的晶粒,同质或异质的晶界扩散十分重要。前者对纳晶金属蠕变行为起重要影响,后者在低温渗氮等过程中起决定作用。对经过表面纳米化的金属多晶体,尺度效应在多晶扩散中有很强的体现。我们在经典多晶扩散模型(L2M模型)的基础上引入晶粒尺寸的梯度分布,数值模拟了表

面机械研磨Fe渗氮实验的浓度分布曲线[8],定量地再现了低温渗氮过程。我们还进一步讨论了三晶交对多晶扩散的影响,提出三晶交三维网络扩散模型。

4 微纳米尺度的接触与摩擦

微纳米尺度的接触与摩擦讨论由于接触区域小而引起的反常行为。这时有两个尺度比值引人注目:一个是接触区域尺度与晶粒尺度的比值;一个是

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接触区域尺度与JKR粘结影响尺度的比值。在纳米多晶的高速压痕过程中,会不断发射堆垛层错。这些层错往往被高度密集的网状晶界捕获,从而阻止了塑性变形向纳米晶体材料内部的传播。我们[9]利用并行分子动力学计算研究了纳米晶体在纳米压痕下的堆垛层错的迸发和终止。在纳米多晶进行纳米压痕时,压在晶界处时的力-位移响应比压在晶内处稍软。而单晶压痕过程中生成的堆垛层错可直接传播到晶体内部。碳纳米管的接触行为是一个非常奇异的现象。我们用分子动力学方法对平行堆叠的单壁碳纳米管之间的接触与摩擦过程进行了模拟和分析。展示了纳米管之间的悬浮和反常摩

擦学现象,碳纳米管分子之间的长程范德华力是导致碳纳米管这些反常行为的一个原因

[10]

。

5 微纳米尺度的碰撞

关于超高速撞击的分子动力学模拟[11]表明:当以每秒10公里的高速用铜纳米颗粒撞击铜基体时,会形成以超音速的速度传播的激波。图3表示了在镶嵌原子法(EAM)下的模拟结果。出现超音速激波的原因在于波前由于高度压缩而引起的切线模量激增,导致产生局部亚音速但总体超音速的压缩激

波。

图3 用EAM势模拟的以10km/s速度碰撞后0.2ps、0.4ps、0.6ps、0.8ps、1.0ps和1.2ps时刻的径向速度场图

6 跨层次算法

我们早期提出了宏细纳观三层嵌套模型。其构成方案为:(a)用原子镶嵌模型和分子动力学理论模拟裂尖附近的纳观区行为;(b)用弹性基体加离散位错来描述细观区行为,位错的运动由位错动力学曲线支配;(c)在纳观区与细观区的交界上采用原子/连续介质交叠带和缺陷结构的透越技术,实现裂尖发射位错的跨层次传递;(d)在宏观区采用超弹性/粘塑性大变形本构关系和有限元计算方案;(e)在纳观区与细观区的交界上采用位错吸收条

件。该原子点阵/连续介质的嵌套算法还可以模拟界面结构与形貌。在原子点阵/连续介质交叠带方案下,Yang等[1,12]模拟出从裂尖发射的原子点阵位错运行并转变为连续介质位错群的动态过程,并探讨了在不同界面断裂混合度下波折界面对位错发射的抑制作用。但这种连续介质-分子动力学分区耦合算法不具有自适应优化特征。必须发展具有动力特征、级进特征、层次间无缝连接、自适应优化的新算法。/晶格材料点方法0体现了这些新的要求。晶格材料点既代表连续介质意义上的材料点,又代表原子意义上的晶格点。它为自适应材料点方法和分

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子动力学模拟方法这两个表述之间提供平滑过渡,并将两者投影于一个背景网格中。连续介质区域和原子区域的区分是动态的,在模拟过程中是自适应可调的。连续介质区域的物质点具有分层结构,从而解决空间和时间尺度的优化计算和层次迭代问题。

最近,郭增才和杨卫提出了新的MD-MPM-HS跨尺度计算模式。在跨尺度计算中,在关键区域(如裂纹尖端、超高速碰撞的碰撞区域、纳米压痕的压头附近区域等)可采用分子动力学来模拟,而在其它非关键区域,则采用连续介质力学模拟。对连续介质区域的计算可采用MPM(材料点方法),分子动力学区域的计算则用EAM势。在连接区域,我们把材料点看作原子并把其排列在实际晶格位

置。连接区域的原子和周围的材料点有相互作用,分子动力学计算时,连接区域的材料点(看作原子)为分子动力学区域原子提供原子环境(材料点处的电子云密度影响分子动力学区域原子的电子云密度,材料点对连接区域的原子有按原子间距离变化的引力或斥力);连续介质区域计算时,连接区域的原子对周围的材料点提供边界条件,即原子对周围的材料点有拉力或压力作用,计算时,我们把该作用力等效在背景网格节点上。于是便实现了两个区域间更好的握手连接。

我们采用上述方法进行了三维跨尺度模拟,模拟了韧性材料(铜)和脆性材料(硅)的超高速碰撞。参见图4和图5

。

图4 含1052个原子的团簇撞击后4.2ps的局部晶序图。左:主视图;中:顶视图;右:

底视图

图5 原子团簇撞击在含裂纹基体上的局部晶序图。左:2.5ps;中:5.0ps;右:7.5ps

参考文献

[1]杨卫.宏微观断裂力学.国防工业出版社,1995

[2]GerberichWWandYangWeds.InterfacialandNanoscaleFailure,

Vol.8ofComprehensiveStructuralIntegrity,ElsevierScience,Ox2ford,2003

[3]ZhuT.,YangW.andGuoT.Quasi2cleavageprocessesdrivenby

dislocationpileups.ActaMetall.Mater.,1996,44:3049~3058

[4]邢永明,戴福隆,杨卫.Experimentalstudyaboutnano2deformation

fieldnearquasi2cleavagecracktip.ScienceinChina,2000,43:963~968

[5]YangW.andWangH.T.Mechanicsmodelingfordeformationof

nano2grainedmetals.J.Mech.Phys.Solids,2004,52:875~889[6]WangH.TandYangW.Constitutivemodelingfornanocrystalline

metalsbasedoncooperativegrainboundarymechanisms.J.Mech.Phys.Solids,2004,52:1151~1173

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ASME,2004,inpress

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[7]MaXL,YangW.MDsimulationfornanocrystals.ActaMech.

Sinica,2003,19:485~507

[8]WangHTandYangW.NitridingSimulationforPolycrystalsof

GrainSizeGradient.ScriptaMater.,2003,50:529~532[9]MaX.2L.andYangW.Moleculardynamicssimulationonburst

andarrestofstackingfaultsinnanocrystallineCuundernanoindenta2tion.Nanotechnology,2003,14:1208~1215

[10]MaXL,WangHT,andYangW.Abnormaltribologicalbehavior

ofcontactingsingle2walledcarbonnanotubes.J.Eng.Mater2T

[11]MaXL,YangW.SupersonicwavepropagationinCuunderhigh

speedclusterimpact.Nanotechnology,2004,15:449~456[12]YangW.,TanH.L.andGuoT.F.Evolutionofcracktipprocess

zone.ModellingandSimulationinMaterialScienceandEngineer2ing,1994,2,767~782

(责任编辑:房俊民)

国外新闻

世界寄希望于可再生能源

传统的燃料能源正在一天天减少,对环境造成的危害日

益突出,同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候,全世界都把目光投向了可再生能源,希望可再生能源能够改变人类的能源结构,维持长远的可持续发展。

国际可再生能源大会正是在这种情况下促成的。前些时候,全球150多个国家和地区的政府、企业以及民间代表聚集德国波恩商讨全球可再生能源开发和利用大计。波恩会议是迄今世界范围内在可再生能源领域召开的最大规模的政府间会议。大会显现出了一个令人鼓舞的迹象:国际社会已经正式开始重视可再生能源,并将其作为国际能源结构的主要发展方向。

大会最后通过的5共同宣言6表达了各国为加快可再生能源开发实施具体行动的决心。多数与会国家、联合国以及包括国际金融机构在内的国际组织提出了各自未来发展可再生能源的计划,形成了包含165个具体行动方案的5国际行动计划6。大会的远景规划预计,如果行动计划能够具体落实,到2015年,全球使用可再生能源的人口将达到10亿。

东道主德国显示了在发展可再生能源领域的国际领先地位,提出了未来在可再生能源领域巨大的投资计划。在德国的组织下,6个欧洲国家建立了发展可再生能源的网络。这个网络还将不断扩大。

发展中国家同样显示出大力发展可再生能源的决心。中国、菲律宾等发展中国家提出了最为积极的计划。德国经济合作与发展部长维乔雷克-措伊尔说,许多发展中国家提出了各自发展可再生能源的具体承诺,这是/史无前例0的事。大会特别赞扬了中国在发展可再生能源上的积极计划,认为中国到2010年将可再生能源发电总量提高10%的计划/让人惊异0。

不过,目前可再生能源的发展还面临诸多的问题和挑战。首先,目前全球可再生能源的发展并不平衡,发达国家

在开发可再生能源上普遍看来依旧不积极,除德国、丹麦等少数国家之外,都没有表示出要为发展可再生能源而增加投入的意愿。比如,世界最大的能源消费国美国只是做出了与其身份并不相符的承诺。能源领域的观察机构认为美国政府仍旧维持着支持传统燃料能源的政策。根据国际能源机构统计,过去30年,发达国家可再生能源开发的增长速度不升反降。

其次,传统燃料能源如石油和煤炭工业的势力仍旧巨大,它们继续获得高额资金支持。根据国际环保组织提供的统计材料,世界银行在过去10年里对传统能源与可再生能源的贷款比例为23比1。为此,环保组织敦促世界银行等国际金融机构加大对可再生能源的贷款力度,同时减少对传统燃料能源的资助。

第三,国际社会对可再生能源的认识还不客观,对可再生能源的开发还不十分热衷。目前,全球对传统以及可再生能源的成本计算不合理。实际上,如果把传统能源对健康、安全、环境等造成的损失折算成成本,它跟可再生能源相比并无优势;而可再生能源在这些方面的优点并没有被认可为成本优势。目前,全球范围内可再生能源的价格要大大高出传统燃料能源的价格。这使可再生能源难以与之进行市场竞争。

第四,多数国家仍旧没有可行的政策以及法律框架以发展可再生能源,可再生能源进入市场与传统能源竞争还有许多障碍。另外,发展中国家在发展可再生能源方面面临着资金和技术等方面的问题,需要更多的国际援助。

根据国际能源机构的最新统计资料,2001年该组织成员国的可再生能源开发量只占能源总量的5.5%。可再生能源就像刚破土的嫩芽,还需要国际社会的精心浇灌。毕竟,如德国环境部长特里廷所言:/可再生能源的时代已经到来。0(新华社供本刊稿)

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