Al单晶纳米棒力学性能的计算模拟研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)
1.1课题背景及意义

随着制造工艺的不断发展,微纳尺度金属材料在电子电工、生物医疗、航空航天等领域得到了广泛应用。研究发现,微纳尺度金属材料和常规宏观材料相比,力学性能具有很大差异,呈现出显著的反常规塑性行为[1-5]。其中纳米铝作为一种新型材料,主要应用于火箭推进剂、液晶显示器、火炸药、太阳能电池铝背等领域。国外有研究报道,在某固体推进剂中,加入纳米铝燃料与同样含量普通微米铝相比,燃烧速率提高70%[6]。同时,纳米铝棒使制造出可以像乌贼一样变色的超材料成为可能。因此,纳米铝的性能和应用研究对我国国防建设的发展和高科技产品的开发具有重要意义。

2014年9月,美国莱斯大学纳米光子学实验室在《国家科学院学报》上公布了一项全新的彩色显示技术,它能够识别颜色并自动融合到背景中,初步解决了“乌贼皮”显示颜色的难关。通过电子束沉积技术,使数百个铝纳米棒有序阵列排列于每个像素点中,每个铝纳米棒长约100纳米,宽约40纳米。通过改变纳米棒的长度和间距,使像素点显示出明亮艳丽的红、蓝、绿色调。其色彩质量远远高于普通的铝纳米颗像素,效果甚至能与高清液晶屏相媲美,成功解决了现有铝纳米棒技术曾存在的色彩不够艳丽和易褪色问题。这项技术未来有望广泛应用于液晶显示器器领域,代替易褪色和漂白的常用显示器着色剂。

纳米尺度下,材料由离散的原子排列而成,由于比表面积大、表面效应明显,材料的力学性能和力学行为将与宏观材料迥异[7]。但是纳米铝棒的制备条件十分严苛,由于纳米铝粉极大的比表面积和极高的表面活性,使得纳米铝粉无法在空气中直接使用,同时多达数小时的常规烧结方法将导致晶粒长大,很难获得真正意义上的纳米铝棒状材料[8]。而在数值模拟方面,随着大量材料的势函数逐渐被精确描述出来,经典分子动力学方法(molecular dynamics , MD)已经成为模拟研究纳米材料力学性能和力学行为的重要手段。对于固体金属材料的变形和破坏机理,可以通过MD模拟从纳米尺度进行详细分析和讨论。

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