基于納米金屬材料的計(jì)算機(jī)模擬研究與應(yīng)用

張寶寧 張紅玉 穆強(qiáng) 牛銳鋒

（西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710048）

業(yè)務(wù)探討

基于納米金屬材料的計(jì)算機(jī)模擬研究與應(yīng)用

張寶寧 張紅玉 穆強(qiáng) 牛銳鋒

（西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安 710048）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)模擬已廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)的研究中。金屬納米的分子動(dòng)力學(xué)模擬,可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的不足,有效地澄清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，揭示內(nèi)在機(jī)制。近年來(lái)，金屬納米材料的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)外均制備出了性能優(yōu)異的納米金屬材料，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、性能及內(nèi)在機(jī)制的計(jì)算機(jī)模擬研究將成為這一領(lǐng)域最為基礎(chǔ)、最為前沿的課題。

納米；金屬材料；計(jì)算機(jī)；模擬應(yīng)用

1 納米金屬材料的性能及其應(yīng)用

納米金屬材料除了具備小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)等納米材料的共同特性，還具有許多不同于納米新金屬顆粒的特性，這使得納米金屬材料表現(xiàn)出了許多優(yōu)異性能,特別是普通多晶體材料截然不同的特性，如超高強(qiáng)度、高韌性、卓越的力學(xué)性能和優(yōu)異的電磁性能等，這些特性被應(yīng)用于電子工業(yè)、原子能工業(yè)、航空航天工業(yè)、化學(xué)工業(yè)以及生物醫(yī)學(xué)等方面。

1.1 納米金屬材料的電磁學(xué)性能及應(yīng)用

當(dāng)金屬粒徑處于納米范疇時(shí)，原子間的間距會(huì)隨密度的增加而直徑變小，所以電導(dǎo)率降低的原因是由于自由電子的自由程度會(huì)隨之減小，絕緣體的一個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果便是原來(lái)的金屬良導(dǎo)體完成轉(zhuǎn)換。這種現(xiàn)象被科學(xué)界稱為在尺寸誘導(dǎo)下的金屬絕緣體演變。納米粒子的粗細(xì)程度會(huì)在一定程度上，影響磁結(jié)構(gòu)的差異。

1.2 納米金屬材料的催化性能及應(yīng)用

納米金屬作為催化劑的基本條件是由金屬顆粒的尺寸、表面積大小、表面鍵態(tài)分布和金屬的電子態(tài)顆粒的構(gòu)造決定的。如納米粉在應(yīng)用于火箭推進(jìn)劑時(shí)，為了提高可燃性，在火箭的燃料箱中添加納米鋁粉和鎳粉即可。貴金屬把納米粒子應(yīng)用到高分子高聚物上，納米鍺粒子在顯示了高效的氫化催化劑，納米銀粉催化劑主要有鎳、鐵、鉆等，以納米鎳粉和納米銅鋅合金粉為主要成分是傳統(tǒng)鎳催化劑的l2倍。納米鐵粉、鎳粉作為汽車(chē)尾氣的凈化劑。納米材料作為催化劑有使用方便的優(yōu)點(diǎn)，從而避免了常規(guī)催化劑所引起的副產(chǎn)物，并且液相反應(yīng)體系是可以融合這類(lèi)催化劑，防止了產(chǎn)生的熱量由于局部過(guò)熱而導(dǎo)致燃料失去活性。納米材料在表面的催化效率非常高，是由于材料的表面性較好。

1.3 納米金屬材料在光學(xué)環(huán)境下的性能及應(yīng)用

圖1 三維納米材料的組合模型

圖2 晶界的體積分?jǐn)?shù)和納米尺寸的函數(shù)

表1 一些fcc金屬臨界尺寸的最大值(dcU)、最小值(dcL)

?

小尺寸具有大規(guī)模金屬材料所不具備的光學(xué)性能。大塊金屬表明在可見(jiàn)光的吸收范圍和能力的差異；在納米量級(jí)中，各種納米金屬顆粒對(duì)可見(jiàn)光的反射率不同，幾百納米的厚度范圍內(nèi)，可見(jiàn)光即可消除。光電材料、紅外材料、紅外手電筒等，均是使用了此特性制作的，是金屬納米粒子最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域。金屬納米粒子具有吸收紅外線的特點(diǎn)，而且表面積巨大、表面活性高、對(duì)周?chē)h(huán)境敏感，可制成超小型、低能耗、多功能傳感器。

1.4 納米金屬材料的化學(xué)反應(yīng)性能及應(yīng)用

隨著納米材料的粒徑減小，表現(xiàn)出非常高的化學(xué)反應(yīng)活性。許多金屬納米材料室溫下在壓結(jié)工作后即可反應(yīng)產(chǎn)生金屬化合物。即便是耐熱、耐腐蝕的氮化物材料也會(huì)經(jīng)此過(guò)程變得不穩(wěn)定，例如納米的平均顆粒直徑達(dá)到50rim時(shí)，在自然空氣環(huán)境下，適度加熱即可燃燒為白色納米。

2 納米金屬材料的計(jì)算機(jī)模擬研究

從廣義上講，納米金屬材料是三維空間內(nèi)，最少有一維處于納米的尺寸范圍，或由該材料作為基本單元的金屬材料。這里所說(shuō)的納米尺度，是大于1納米，小于100納米。納米材料的單位依照維度區(qū)分，可以有如下三類(lèi)，零維度，一維度，二維度。零維度是指三維均處于納米尺度范圍，比如金屬類(lèi)納米顆粒；一維是指在空間中有兩位在納米尺寸范圍下，如納米金屬顆粒；二維是指有一維在納米尺度范圍下，如納米金屬薄膜。

圖3 納米尺寸軟化效果變化

2.1 零維——金屬納米

尺寸小、表面能高、位于表面的原子占較大的體積導(dǎo)致微粒計(jì)算機(jī)模擬金屬納米微粒的表面原子配位不全，反應(yīng)活性和催化劑的選擇上均高于傳統(tǒng)材料，從而引起了理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都非常活躍?？勺冸娮釉跇O限分子模擬法中，對(duì)10～20納米的鋁粒子進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的氧化反應(yīng)數(shù)據(jù)觀察。氧化層的滲透反應(yīng)和飽和效果隨著納米粒子的能量損耗解釋了整個(gè)模擬過(guò)程中，兩類(lèi)電子的傳輸過(guò)程和損耗效果。非晶態(tài)氧化層是納米粒子在氧氣中，多重氧化的結(jié)果。這一結(jié)果是我們?cè)谠囼?yàn)中進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)的，納米銅離子氧化膜的極限薄厚度是溫和的。納米粒子中，原子電子的電荷分布是隨著氧粒子數(shù)量的變化而變化的。

2.2 納米粒子和鋁粒子

納米粒子在氧化中形成的氧化膜在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，在實(shí)驗(yàn)研究中得到證實(shí)。分子動(dòng)力學(xué)的模擬效果得到證實(shí)。由于團(tuán)簇聚集效應(yīng)，在四面體網(wǎng)絡(luò)中形成中性滲透效果，氧原子和氯原子的內(nèi)外定向擴(kuò)散均受到阻隔，從而在表面形成穩(wěn)定的氧化物。

2.3 晶界和納米的關(guān)系

納米多晶界由于具有完整的立方結(jié)構(gòu)，但并不是完全無(wú)序，不同粒徑樣品的晶界能量略高于納米能量存在畸變，粒徑減小則納米體積增大。

2.3.1 一維狀態(tài)的納米計(jì)算機(jī)模擬

一維納米是組成機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論設(shè)想被廣泛關(guān)注，力學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和條件受到制約，導(dǎo)致納米尺度下的計(jì)算機(jī)模擬原子粒子演化為納米的過(guò)程，受到一定程度影響。

2.3.2 二維狀態(tài)的金屬納米薄膜模擬

納米薄膜在制備研究過(guò)程中，會(huì)觀測(cè)到許多薄膜生長(zhǎng)現(xiàn)象，這需要在理論上給予合理解釋。實(shí)驗(yàn)家們假設(shè)每個(gè)原子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的擴(kuò)散、撞擊、堆砌的現(xiàn)象得到驗(yàn)證。這就要求薄膜的生長(zhǎng)機(jī)制、制備材料、制備功能均得到很好的工藝條件提供，這一切均由計(jì)算機(jī)的納米薄膜模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖4 納米納米的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

3 計(jì)算機(jī)模擬研究顯現(xiàn)的問(wèn)題

納米金屬材料被看作獨(dú)立的研究單元，然后應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)或,利用固體理論預(yù)測(cè)納米金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能。

（1）力學(xué)第一性原理的原子間相互作用勢(shì)描述粒子間的作用。但是復(fù)雜的相互作用勢(shì)將在構(gòu)建或使用原子問(wèn)相互作用，又能在計(jì)算上切實(shí)可行的相互作用勢(shì)。

（2）對(duì)納米金屬材料含有金屬、金屬氧化物、氧化物等多原子的體系，原子間的運(yùn)動(dòng)都耦合在一起，每個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)方式較多，選用有限差分方法來(lái)求解,雖然計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步迅速，但是單憑提高單個(gè)C P U的計(jì)算速度還不是一種有效提高計(jì)算能力的方法。

（3）目前最常用的統(tǒng)計(jì)量對(duì)于研究者將宏觀現(xiàn)象與微觀軌跡聯(lián)系起來(lái)，是計(jì)算機(jī)模擬處理將是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其關(guān)鍵問(wèn)題是分析體系的結(jié)構(gòu)。定義一個(gè)合適的統(tǒng)計(jì)量是一個(gè)消耗大量研究工作時(shí)間的過(guò)程。

（4）如何正確對(duì)待計(jì)算機(jī)模擬的成果就是體現(xiàn)現(xiàn)有的軟件是如何研究面對(duì)的問(wèn)題。從事納米金屬材料的研究人員更關(guān)心建立模擬模型。

4 納米金屬材料界面的模型研究

納米邊界的擴(kuò)散狀態(tài)，在很大程度上，對(duì)材料的宏觀性能有持續(xù)影響。納米尺寸越小，界面的分量會(huì)更大，并且在界面中大量的循環(huán)粒子不斷出現(xiàn)，這是固體納米材料的本態(tài)特征。這就說(shuō)明晶界、多叉晶界及單數(shù)晶界構(gòu)成了納米的晶材料。晶界、三叉晶界、四方晶界被順序覆蓋在這個(gè)點(diǎn)上,共同構(gòu)成整體。三維納米材料的組合模型，如圖1所示。

得到晶界的體積分?jǐn)?shù)和納米尺寸的函數(shù)，如圖2所示。

4.1 幾種修正的模型

理論支持下，納米尺寸導(dǎo)致錯(cuò)位間不對(duì)稱而引起了納米的移動(dòng)滑側(cè)面，由于形成不了錯(cuò)位的擠塞，導(dǎo)致納米材料的異形過(guò)程無(wú)法基于解釋。所以納米的臨界尺寸中的極限公式被計(jì)算出，對(duì)于金屬類(lèi)別相同的值，表1中對(duì)于各自的幾何平均值進(jìn)行估值，得到了金屬臨界值的最小值和最大值。

4.2 幾何平均值建立的模型表達(dá)式

表達(dá)式為:

其中:β為一常數(shù);x=Δ/(l+Δ),Δ為晶界寬度,l為晶內(nèi)寬度,Δ=βd1/2.可看出,式(1)是x的三次方程,在x的有效范圍內(nèi)(0＜x＜1),曲線上可能存在一個(gè)拐點(diǎn)，圖中出現(xiàn)4種情況:

后3種情況表現(xiàn)出納米尺寸軟化效應(yīng),第4種有轉(zhuǎn)變.在一定條件下,σ-x曲線沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)斜率。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件的不同,結(jié)果應(yīng)當(dāng)符合上述某種情況，納米尺寸軟化效果變化，如圖3所示。

Wang的模型中,臨界尺寸dc有一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,還有一個(gè)估計(jì)值,對(duì)于這個(gè)估計(jì)值沒(méi)有給出定量的計(jì)算方法.Kim[22]的復(fù)合模型表達(dá)式為

由上式可得出,H 存在一個(gè)最大值,此時(shí),d=dpeak,dpeak可由計(jì)算得到,如下算式:

如式(4):

其中:fcr是指體積分?jǐn)?shù);w寬度，當(dāng)dc＞dpeak時(shí),偏離H-P關(guān)系的現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn),斜率k變小;當(dāng)d c＜dpeak時(shí),反關(guān)系出現(xiàn),算出Cu,Ni,Fe的dpeak分別為2.9nm,3.9nm和4.3nm，室溫下納米Cu的硬度表明,納米尺寸為42nm時(shí),其H值為1.75GPa,而用Kim模型計(jì)算的H值為1.92GPa,比實(shí)驗(yàn)值大。XiangQing和GuoXingming從二維的角度將納米晶體結(jié)構(gòu)看成由晶核、晶界和三叉晶界組成，如圖4所示。

推導(dǎo)出σ y與d的關(guān)系為:

其中km=k/4(σgb-σg),k為H-P斜率。式(5)是d-1/2的二次方程,由此可得到臨界值d=4km(2 σ gb-σg-σtj)*(σgb-σg),對(duì)于Fe,Cu,Ni-P合金。當(dāng)d≥d時(shí),正H-P關(guān)系成立.當(dāng)d＜d且d＞4km時(shí):①當(dāng)σgb≤σtj時(shí),正H-P關(guān)系成立;②當(dāng)σgb＞σ tj時(shí),反H-P關(guān)系成立,當(dāng)d＜10nm時(shí),σ y由晶界決定;當(dāng)10nm≤d≤100nm時(shí),σ y由晶界決定時(shí)顯示出正H-P關(guān)系;當(dāng)d＞100nm時(shí),σ y由納米經(jīng)典的HP關(guān)系成立結(jié)語(yǔ)研究決定。在近5年來(lái)開(kāi)始發(fā)生著一個(gè)從“工具的建立”的變化，

5 計(jì)算機(jī)模擬研究需要解決的問(wèn)題

原子級(jí)模擬技術(shù)是現(xiàn)今納米金屬材料計(jì)算模擬方法的支撐技術(shù)，他綜合了納米金屬材料構(gòu)成原子的多個(gè)個(gè)體，將原子金屬單元進(jìn)行規(guī)律性描述后，確定為各自的獨(dú)立個(gè)體，形成規(guī)律后便可確定金屬材料的微觀構(gòu)成。但是納米金屬材料構(gòu)成粒子的結(jié)構(gòu)本身便非常復(fù)雜，對(duì)周?chē)h(huán)境變化反應(yīng)十分迅速，隨機(jī)性極強(qiáng)，所以無(wú)法用相關(guān)技術(shù)進(jìn)行模擬獲得。

5.1 模擬算法的確定

納米金屬材料的動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程中，不僅包括納米金屬材料本身，更需要包括金屬氧化物、普通屬化物等多個(gè)粒子體系實(shí)驗(yàn)對(duì)比體。原子間的作用是多體的不規(guī)則變化效應(yīng)，在這個(gè)過(guò)程中，所有粒子會(huì)聚集在一起，無(wú)法用獨(dú)立的解析公式來(lái)解析。這時(shí)，有限差分算法便可以求解，目前，蛙跳法，預(yù)測(cè)法是比較常用的算法。在計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速的今天，單純僅僅提高C P U的效率根本無(wú)法滿足繁瑣的計(jì)算需求，我們可考慮多層次計(jì)算。

5.2 要充分考慮粒子間的相互作用

量子力學(xué)對(duì)于微觀粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡描述是十分有針對(duì)性的。但納米金屬材料中的納米粒子結(jié)構(gòu)和顯示性能往往涉及到大量的微觀粒子，并且伴隨著多體效應(yīng)，導(dǎo)致用普通的量子力學(xué)第一性原理求解并非易事，牛頓定律可以解釋大多數(shù)的模擬粒子運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因此采用原子間相互作用形勢(shì)來(lái)解釋對(duì)粒子間的相互作用是十分有教學(xué)意義的?？梢院侠淼慕鉀Q教學(xué)過(guò)程中的大多數(shù)問(wèn)題和大多數(shù)的各種關(guān)聯(lián)。在協(xié)調(diào)好各力的前提下，將納米金屬材料的各種應(yīng)用問(wèn)題，計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程中的各種條件和問(wèn)題解決完畢。

6 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在材料科學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)成為材料研究人員的一個(gè)強(qiáng)有力的工具，本文提出的模型還需要從材料的微觀變形方面來(lái)解釋,而且在用晶化法制備的納米晶合金中，不存在明顯的三叉晶界,對(duì)于這些問(wèn)題,還需做深入探究?？梢韵嘈牛S著更多材料科學(xué)家自覺(jué)利用計(jì)算機(jī)提高其研究工作水平，計(jì)算機(jī)模擬這樣一種功能強(qiáng)大而又經(jīng)濟(jì)易得的新工具將能更大范圍地拓展我們對(duì)納米金屬材料的認(rèn)知領(lǐng)域，進(jìn)而可以另納米金屬材料應(yīng)用于更多的研究領(lǐng)域，對(duì)人類(lèi)未來(lái)進(jìn)行更多引領(lǐng)，產(chǎn)生更多貢獻(xiàn)。

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TB383

A

1003-2177（2017）04-0057-04

張寶寧（1982—）,男,遼寧沈陽(yáng)人,在讀博士研究生,高級(jí)工程師,研究方向:材料成型技術(shù),納米材料技術(shù),3D打印技術(shù)等；張紅玉（1971—）,女,遼寧遼陽(yáng)人,在讀博士研究生,高級(jí)工程師,研究方向: 材料技工技術(shù),碳纖維材料,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等；穆強(qiáng)（1971—）,男,黑龍江五常人,在讀博士研究生,副研究員,研究方向:金屬材料的加工技術(shù),納米材料技術(shù),計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。