铝/氧化铝界面微观结构的分子动力学研究

摘要

铝-氧化铝复合材料是将铝和氧化铝通过物理或化学的方法合成在一起而形成的一类独特的金属/陶瓷复合材料。目前，铝-氧化铝复合材料作为一种结构材料广泛应用在包括防护工程、机械工程及航空航天工程等诸多领域。良好的力学性能是其广泛应用的保证。研究表明，铝/氧化铝复合材料的力学性能受到诸如材料结构特征、各相材料特性及铝/氧化铝界面等多种因素的影响，其中铝/氧化铝界面对复合材料力学性能具有至关重要的影响。因此，研究铝/氧化铝界面对充分发挥铝/氧化铝复合材料力学性能具有重要的意义。
　　本文工作的目标是建立适用于铝/氧化铝界面的作用势并研究铝/氧化铝界面微观结构特征。基于上述目标，论文的主要研究工作如下：
　　（1）用分子动力学方法研究铝/氧化铝界面微观结构的前提条件是，采用的作用势适用于铝/氧化铝界面系统。依据上述前提条件，本文首先对现有典型的铝-氧作用势在铝/氧化铝界面系统中的适用性进行分析；随后，对其中适用性研究不充分的作用势进行了补充验证。通过上述研究，本文确定了经典的CTI+EAM（Charge transfer ionic and embedded atom method）作用势适用于铝/氧化铝界面系统。之后，在分子动力学模拟软件 LAMMPS（Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）中实现了经典的CTI+EAM作用势，借助于MPI C++语言完成了并行程序，并对并行程序能否带来效率提升进行了验证。
　　（2）针对经典的CTI+EAM作用势被用于分子动力学模拟时存在的严重的效率问题，本文首次提出了一种基于DSF（Damped shifted force）方法改进的CTI+EAM作用势，该作用势采用复杂度为O(N)的DSF方法替换复杂度为O(N2)的标准Ewald方法来处理长程作用势。随后，针对用于铝/氧化铝界面的改进的CTI+EAM作用势的有效性，进行了研究：采用若干DSF方法参数的取值预测了原子电荷、作用在原子上的力以及系统势能，并通过与标准 Ewald方法预测结果的比较，确定了DSF方法中合理的截断半径的存在性且确定DSF方法参数的初步取值范围；在上一步的研究基础上，进一步通过对比两种方法预测的粘附功、微观结构和原子电荷确定了DSF方法参数的取值范围及最优取值；之后，对改进的CTI+EAM作用势在效率方面的提升程度进行了评价。最后，为了让DSF方法更好地发挥作用，对DSF方法的特性进行了研究。
　　（3）考虑到现有的数值模拟捕捉到的铝/氧化铝界面微观结构与试验捕捉到的界面微观结构不相符，本文采用经典的CTI+EAM作用势对铝/氧化铝界面系统进行分子动力学模拟研究：首先，通过比较拥有不同初始界面构型的若干种铝/氧化铝界面系统弛豫后的粘附功，确定了能量上最有可能的铝/氧化铝界面系统；继而对铝/氧化铝界面系统中界面区域层状结构进行了研究，首次发现了与试验得到的相吻合的界面层；随后，采用径向分布函数对界面层的微观结构进行了研究；最后，对铝/氧化铝界面系统中原子电荷分布特征进行研究。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 铝/氧化铝界面微观结构研究进展

1.3 分子动力学方法及典型的铝-氧作用势

1.4 处理长程静电势的方法

1.5 本文研究的目的和主要内容

第2章 典型的铝-氧作用势的适用性的评价与作用势的实现

2.1 引言

2.2 典型的铝-氧作用势的适用性评价

2.3 经典的CTI+EAM作用势在LAMMPS中的实现

2.4 本章小结

第3章 基于DSF方法改进的CTI+EAM作用势

3.1 引言

3.2 理论、方法与模型

3.3 DSF方法中合理截断半径的存在性

3.4 DSF方法的有效性

3.5 改进的CTI+EAM作用势的有效性

3.6 DSF方法的特性

3.7 本章小结

第4章 铝/氧化铝界面微观结构的研究

4.1 引言

4.2 用于研究界面微观结构的数值模型

4.3 能量上最有可能的界面系统

4.4 界面区域的层状结构

4.5 界面层的原子结构

4.6 电荷分布特征

4.7 本章小结

第5章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间所发表的论文

作者在攻读博士学位期间参加的科研项目