納米線楊氏模量的尺度效應及其內在機理研究

《納米線楊氏模量的尺度效應及其內在機理研究》是依託太原理工大學，由李慧擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納米線楊氏模量的尺度效應及其內在機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李慧
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

納米線楊氏模量這一力學性能參數是評價納米器件實用化的重要指標。研究發現楊氏模量隨納米線尺度的變化趨勢多樣，其物理本質也眾說紛紜，主要集中在表面效應和內部彈性變形兩種原因。然而，決定楊氏模量隨尺度變化的因素以及在不同尺度下表面效應與內部模量對楊氏模量的決定作用並未十分清楚。本申請擬從楊氏模量與原子勢函式的關係出發，提出楊氏模量與鍵能、鍵長及晶向之間的本質關聯，進而對楊氏模量尺度效應及其物理本質進行原子水平分析。本申請擬採用熱力學理論和分子動力學計算相結合的研究方法，構建鍵能、鍵長的尺度依賴模型，探索二者與晶向的關係，發展納米線楊氏模量的熱力學模型，加以計算模擬，闡明楊氏模量隨尺度變化的規律；通過計算納米線不同位置上原子的鍵能、鍵長，結合理論模型定量表面原子模量和內部原子模量，明確表面效應與內部模量在不同尺度下對楊氏模量的貢獻，揭示引起楊氏模量尺度效應的物理本質，為納米器件的套用提供理論依據。

結題摘要

對於不同的一維納米線材料，其楊氏模量隨尺度變化趨勢表現出不同的趨勢，並且其內在的物理機理不清楚。在本項目中，我們在原子水平上解析了這種特殊的物理現象。以原子勢函式為出發點，針對兩個原子之間的彈性形變模型，推導出納米材料的楊氏模量的特徵，從而成功的建立了一維納米線楊氏模量的尺度依賴模型。用類似的思路，納米粒子、納米薄膜的楊氏模量尺度依賴模型也成功建立。理論預測結果與計算、實驗結果的一致性驗證了我們理論推導的合理性。在本模型中，我們提出了單鍵模量的概念，基於塊體材料原子勢函式，解析出塊體材料的單鍵模量。然而，在熱力學結合能的幫助下，我們發現對於納米材料，表面原子和內部原子的單鍵模量不再與塊體材料相同，這是導致納米材料彈性性能變化的根部原因。在單鍵模量的基礎上，我們發展了納米材料的表面彈性模量和內部彈性模量，二者均表現出強烈的尺度效應，並且不同的材料二者的變化趨勢不同，這就導致了體系楊氏模量不同的變化趨勢。因此，在本項目中，我們將表面模量、內部模量的尺度依賴性也進行了定量化的研究，提出為了解析納米材料的楊氏模量，其表面、內部的貢獻是不可忽略的，並且可以將二者的貢獻定量化。三年的研究工作基本上完成了項目的研究目的，達到了對納米材料楊氏模量尺度效應的物理認識。這一工作對於預測納米結構的力學性能以及認識其內在的物理原因有很好的指導和參考價值，這對於納米器件穩定性的判斷有重要的科學意義。