纯Mo〈110〉对称倾侧晶界的分子静力学模拟研究

Mo的固有脆性是限制Mo及Mo基合金作为包壳材料应用的关键性问题,其脆性的一个重要来源是Mo本身强度较低的晶界。为系统理解纯Mo的晶界结构,本文采用分子静力学方法,对32个〈110〉对称倾侧晶界的晶界能及空位形成能进行研究,并讨论空位在晶界上的形成规律。计算结果表明,晶界区域相较于完美晶体更易形成空位,且晶界上空位形成能与晶界能密切相关,越稳定的晶界越不易形成空位。空位在不同晶界结构上的形成规律有显著差异,在倾侧角小于等于58.992°的晶界结构中,空位易在C结构单元内形成;对于倾侧角介于58.992°与144.364°之间的晶界结构,空位易在“屋顶”结构中形成;对于倾侧角大于144.364°的晶界结构,空位易在Z型结构中形成。此外,通过4种势函数对32个晶界结构进行计算的结果表明,在晶界能与空位形成能方面,4种势函数无显著差异,但通过光谱近邻分析势计算得到的一部分晶界结构具有更高的不对称度。

含脱铁疏松层铁单晶和孪晶产生内应力的分子静力学模拟

采用分子静力学方法,模拟了孪晶界对含有疏松层的铁素体内应力分布的影响。结果表明,单晶试样在弛豫后挠度随表层空位浓度以及疏松层相对厚度的增加而增大。当试样中存在孪晶界时,其弯曲挠度同样随表层空位浓度和疏松层厚度的增大而增加,并且孪晶界距离疏松层越近,挠度越大;当孪晶界距离疏松层较远时,试样弯曲方向改变。孪晶界处会产生拉应力,最大压应力存在于基体和疏松层的分界处;疏松层内总体呈拉应力。

钨晶界中氦和氢性质的分子静力学模拟

国际热核聚变实验堆(ITER)中的偏滤器部分受到大量氦、氢离子流轰击,钨因熔点高、高温性能优异而常被选作这一部件的护甲材料,但氦、氢倾向于在晶界等缺陷处聚集成团簇,从而引起钨表面起泡、肿胀等,致使材料性能下降,使用寿命下降。文中采用分子静力学方法研究了氦和氢在钨晶界附近的性质。首先计算了25个绕<100>轴旋转不同角度的对称倾斜钨晶界的晶界能,选取其中能量较低的∑5(310)和∑5(210)晶界为研究对象,计算了缺陷与晶界的相互作用。结果表明:在晶界附近,垂直于界面的方向上原子层间距明显增大,晶界的膨胀畸变和面间滑移为缺陷提供了有利环境;晶界的影响区域为4,在这一范围内空位、间隙氦和间隙氢的形成能小于块体中的;当离晶界面距离大于4,可近似认为是块体。研究结果可为钨中氦/氢泡生长和释放相关的实验提供一定依据和指导。

NH_2自由基电子基态及激发态解离通道的静力学分析

本文利用原子分子反应静力学的基本原理,研究了NH2自由基体系的可能解离通道,得到了NH2自由基电子基态2B1及第一激发态2A1合理的解离通道。

CF_2自由基电子激发态解离通道的静力学分析

本文根据原子分子反应静力学的基本原理,利用对称性关联的方向性原则,研究了三原子CF2体系的可能解离通道.在轨道和自旋规则限制下,得到了母体自由基特定电子态与解离碎片电子态之间的对应关系,并具体给出了CF2自由基在不同电子态下可能的解离通道.

FeCu模型合金中Cu析出物导致硬化的位错动力学研究

压水反应堆压力容器(RPV)钢服役过程经高能中子辐照产生的溶质-缺陷团簇,导致辐照硬化和脆化,是影响其服役寿命的关键因素。利用位错动力学方法结合分子动力学和分子静力学计算获得的缺陷钉扎力,研究了FeCu模型合金中Cu析出物导致硬化的机理,分析了钉扎力、脱钉临界角等因素对计算结果的影响,并对计算结果的置信度进行了分析。结果表明:半径小于1 nm析出物的脱钉判据主要为力判据,需精确计算缺陷对位错的钉扎力;半径大于1 nm析出物的脱钉判据主要为临界角判据,对于Cu析出物,其临界角约为130°。本研究结果对于深入研究RPV钢辐照硬化机理以及预测辐照脆化趋势具有重要意义。

NiH_2分子的结构及其势能函数

应用群论及原子分子反应静力学方法推导了NiH2 分子基态的电子态及其离解极限 ,在MP2 /6 -311G 水平上 ,优化出NiH2 (X3 Δg)分子稳定构型为D∞h,其平衡核间距Re=0 .15 73nm、∠HNiH =180 .0 0° ,同时计算出振动频率 :对称伸缩振动频率ν1=2 0 0 0cm-1,弯曲振动频率ν2 =72 1cm-1和反对称伸缩振动频率ν3 =1875cm-1。在此基础上 ,使用多体项展式理论方法 ,导出了基态NiH2 分子的全空间解析势能函数 ,该势能函数准确地再现了NiH2 (D∞h)平衡结构。

金属锡表面吸附氢同位素的量子力学计算

根据原子分子反应静力学与群论,确定了H2、D2和T2的基电子状态为1∑+g(D∞v),SnH、SnD和SnT的基电子状态为2∑+(C∞v)。应用基函数SDD 和6 311G ,密度泛函B3P86方法,计算了氢同位素分子及其锡化物的结构、能量E、定容热容Cv和熵S。H2(D2,T2),SnH(D,T)和SnH2(D2,T2)的基电子状态分别为1∑+g(D∞h),2∑+(C∞v)和3B1(C2v)。H2、D2和T2的离解能为4.5918eV,SnH(D,T)分子的离解能为2.7147eV,SnH2(D2,T2)分子的离解能为4.8339eV。用总能量中的电子和振动能量近似代表SnHn、SnDn和SnTn(n=1,2)分子处于固态时的能量,用总熵中的电子和振动熵近似代表SnH、SnD和SnT分子处于固态时的熵,从而计算了锡与H2、D2和T2反应过程的△Hf°,△Sf°,△Gf°和平衡压力,并导出他们与温度的函数关系。

原子分子工程学

根据钱学森的学术思想,在讨论了原子分子工程学的定义的基础上,分析了原子分子工程学的学科内容,并介绍了近年来基于原子分子工程原理开展的部分研究及取得的成果。

双原子分子的对称性与离解极限

要正确深入分析分子在不同电子状态下的势能行为,就必须分析分子的对称性和离解极限。文章在讨论了双原予分子的相关对称性及其相互联系的基础上,应用原子分子反应静力学方法讨论了双原子分子对称性的演化规律和离解极限,并具体分析了几个典型的双原子分子的离解极限,分析的结果与实验的结果一致。

FeCuMnNi合金体系中溶质-空位团簇的原子尺度研究

反应堆压力容器(reactor pressure vessel,RPV)是核反应堆中不可更换的关键部件,辐照脆化是影响其安全运行的主要因素。溶质缺陷团簇是中子辐照后RPV钢中的主要微观缺陷,研究其形核长大机制有助于理解RPV钢的辐照损伤行为。本文采用Metropolis蒙特卡罗方法模拟得到FeCuMnNi合金体系中溶质-空位团簇的稳定构型,结合分子静力学方法从原子尺度研究溶质原子与空位团簇的作用机理,分析探讨溶质-空位团簇的形核长大机制。结果表明,在FeCuMnNi合金体系中,Cu原子相较于Mn、Ni会优先在空位团簇表面偏析,形成的溶质-空位团簇为球形壳层结构;Mn会促进溶质-空位团簇的长大,而Ni对于溶质-空位团簇尺寸的影响很小,Mn、Ni存在协同效应,会促进溶质-空位团簇的形核长大;溶质-空位团簇中溶质原子的结构和能量存在相关关系,空位团簇可直接改变其附近溶质原子的结构,导致内层溶质原子能量显著高于外层原子,长大过程逐渐由空位团簇主导转变为外层溶质原子主导。以上结果有助于理解中子辐照后RPV钢中微观缺陷的形成和演化行为,推动RPV钢辐照脆化行为的模拟预测。

群论在推导分子离解极限中的应用

本文简要介绍了群论与量子力学的关系和原子分子反应静力学的基本原理，并根据这些原理推导出一些分子的合理离解极限。

碳纳米管结构的模拟计算

碳纳米管具有着奇异的物理和化学性质,这与其几何结构是密切相关的.为了生动形象地揭示其结构,用分子静力学方法对碳纳米管结构进行了模拟计算.首先从二维石墨片晶体坐标出发,通过坐标变换,得到碳纳米管上碳原子的三维坐标.在此基础上给出了扶手椅型、锯齿型和螺旋型三种单壁碳纳米管的三维立体结构.利用单壁碳纳米管的模拟结果,对多壁碳纳米管和管束的构型进行了组合模拟.模拟效果形象、逼真,为碳纳米管的性能和应用的模拟计算提供了必要的基础.

机械形体热变形非相似性特征的机理分析与实验验证

在微观层面建立铝材料正方体纳米原子模型,采用结合修正莫斯势能的分子静力学理论和算法,对其进行仿真求解,对形体热变形机理给予了科学的论证,并给出宏观热变形实验结果。微观分析与宏观实验从机理理论和实验两个层面论证了机械形体热变形非相似性特征的客观存在,弥补了机械形体热变形非相似性特征长期局限于实验验证的缺陷,完善了机械形体热变形理论基础。同时,将分子静力学理论引入对热膨胀机理的研究中,拓展了热变形理论研究思路。

铝制圆环热变形受形体结构约束的原子仿真与实验研究

文章从微观层面出发,建立铝材料环形纳米原子模型,采用结合修正莫斯势能的分子静力学理论和算法对原子模型的升温热变形过程进行仿真和求解。在此基础上探讨了环形机械形体热变形规律,并进行了宏观热变形实验。从理论和实验对比分析论证了机械零件热变形受形体参数影响是客观存在的。将分子静力学理论引入到对热膨胀机理的研究中,拓展了热变形理论研究思路。

机械材料热变形的微观数值模拟研究

热特性是机械材料非常重要的物理特性。为了研究不同形体结构的热变形规律,文章针对铝材料进行微观层面的数值模拟和宏观的热变形实验。在原子尺度上分别构建立方体和空心圆柱体的3D纳米单晶铝模型,采用分子静力学理论与数值算法对模型热变形,得到模型升温后的变形量和热膨胀系数。微观模拟和数值模拟的结果均表明:立方体升温后,表面不同位置的热变形量不一样,中间的热变形量大于边缘处,即机械材料热变形具有非相似性特征;内径尺寸一致、外径尺寸不同的一组空心圆柱体升温后,外径和内径的热膨胀系数均不同。这说明机械形体的形状与结构参数对材料热变形规律影响重大,该现象在精密机械工程中不可忽略。

FCC金属Pd中晶界滑移的研究

使用位能图方法对金属Pd中晶界滑移的研究表明:有序晶界滑移易于开动,有序晶界的滑移可以引起晶界的迁移;与有序晶界相反,无序晶界的滑移很难开动.该结果可以解释形变过程中应力集中和位错发射通常均出现在无序界面处.

PuGa分子结构与势能函数

为对δ相Ga稳定Pu合金中的自辐射效应进行分子动力学模拟,本文根据原子分子反应静力学原理,在Pu原子的RECP近似和Ga原子的6-311G*全电子基组条件下,采用B3LYP杂化泛函对PuGa分子的电子状态和势能进行了从头算。计算结果表明,当PuGa分子多重度为10、Pu和Ga原子均处于激发态时,PuGa分子最稳定。最后采用Murrell-Sorbie两体作用势对势能数据进行了拟合。

含圆孔纳米薄膜在拉伸加载下变形机理的原子级模拟研究

采用分子静力学方法结合量子修正的Sutton-Chen多体势研究了含圆孔的纳米薄膜在单向加载过程中的力学行为,并采用共近邻分析方法研究了薄膜的微结构演化过程.模拟结果表明:孔洞的引入显著地降低了纳米薄膜的杨氏模量和屈服应力;在拉伸过程中,孔洞的形状随着应变的增加逐渐由圆形变为椭圆形,最终孔洞闭合;纳米薄膜在进入塑性变形阶段后,薄膜内部出现原子的堆跺层错,这种层错结构的出现是肖克莱不全位错在薄膜内部沿着{111}面的[112]方向运动的结果.

金属纳米线应力分布特征的原子级模拟研究

运用分子静力学方法结合量子修正Sutten-Chen多体力场研究了Ni纳米线在平衡状态下的应力分布特征,考虑了三种不同取向的纳米线,即轴线方向分别沿[100],[110]和[111]方向的纳米线.计算的结果表明:由于表面张应力的作用,纳米线在弛豫过程中沿轴线方向长度发生收缩;纳米线从表面向中心区域呈现出由张应力向压应力连续分布的特征.随着纳米线直径的增加,纳米线的表面区域的张应力先上升,然后略有下降,并趋向一个非零的常值;而中心区域的应力则属于压应力,其值随着直径的增加显著地减小,并趋向于零值.无论是轴向收缩量,还是表面区域和内部区域的平均应力,均呈现出在[100]纳米线中为最大,而在[111]纳米线中为最小的趋势.