自相似多级纳米蜂窝铝结构力学性能的分子动力学模拟

摘要

首次采用分子动力学方法预测了自相似多级纳米蜂窝铝面内和面外(轴向)的压缩力学性能(弹性模量和压缩强度).重点研究了相对密度、层级数和长度比对自相似多级纳米蜂窝铝结构力学性能的影响.在Gibson模型中引入了表面效应因子,结果表明修正的Gibson-Ashby模型与分子动力学计算结果更加吻合.此外,通过比较一级、二级和三级纳米蜂窝铝结构的变形机制发现,二级和三级纳米蜂窝铝结构由于分别在单级蜂窝和二级蜂窝的角点处接入六边形,在压缩过程中,多级纳米蜂窝铝结构激发的位错远高于单级蜂窝铝结构.也就是说,在压缩载荷下,多级蜂窝铝结构可以更好地利用结构的承载能力,吸收更多的能量.但是,自相似纳米蜂窝铝结构的力学性能无法通过增加级数的方法来无限增强,在相对密度和长度比不变的情况下,当纳米蜂窝铝结构的级数达到二级时,其综合力学性能最佳.研究结果还表明,相对密度不变时,二级纳米蜂窝铝结构长度比分别在0.3和0.4附近时,二级蜂窝铝结构具有最佳的面内和面外力学性能.研究成果对自相似多级纳米蜂窝结构的优化设计具有重要的指导作用.