扭转载荷作用下铜纳米线的力学性能研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2024.04.009

摘要/Abstract

摘要：

通过分子动力学，模拟研究了铜纳米线在不同晶向（I：x[1 0 0] y[0 1 0] z[0 0 1]，Ⅱ：x[1 0 1/8] y[0 1/8 0] z[－1/8 0 1]，Ⅲ：x[1 0 1/4] y[0 1/4 0] z[－1/4 0 1]）、不同晶体内外直径比（ α₁=1/6，α₂=1/2，α₃=5/6）、不同孪晶界面个数（0，2，4）下的扭转变形行为，以及铜纳米线在扭转过程中的剪切应力与扭转角之间的关系。结果表明，改变晶向类型，有助于提高铜纳米线的扭转力学性能；减小晶体内外直径比，可以改善铜纳米线的扭转力学性能；减少孪晶界面个数，对铜纳米线的扭转力学性可起加强作用；铜纳米线的扭转过程分为弹性、塑性和变形破坏三个阶段。研究结果可为高强度铜纳米材料扭转的研究提供依据。

关键词: 铜纳米线, 扭转, 晶向, 分子动力学, 力学性能

Abstract:

Through molecular dynamics simulation, the torsional deformation behavior of copper nanowires in different crystal orientations (Ⅰ: x[1 0 0] y[0 1 0] z[0 0 1], Ⅱ: x[1 0 1/8] y[0 1/8 0] z[－1/8 0 1], Ⅲ: x[1 0 1/4] y[0 1/4 0] z[－1/4 0 1]), different crystal orientation ratios (α₁=1/6, α₂=1/2, α₃=5/6), and different numbers of twin interfaces (0, 2, 4) were studied, as well as the relationship between the shear stress and torsion angle of copper nanowires during torsion. The results indicate that change the orientation type contributes to enhancing the torsional mechanical properties of copper nanowires. Reducing the ratio of internal diameter to external diameter also improves the torsional mechanical properties of copper nanowires. Furthermore, decreasing the number of twin interfaces can strengthen the torsional mechanical properties of copper nanowires. The torsion process of copper nanowires can be divided into three stages: elastic, plastic and deformation failure. The research results provide a basis for investigating the torsion of high?strength copper nanomaterials.

Key words: Copper nanowires, Torsion, Crystal orientation, Molecular dynamics, Mechanical properties

中图分类号:

TQ083

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图/表 8

图1 扭转载荷作用下的铜纳米线模型

Fig.1 Copper nanowire model under torsion

图2 铜纳米线I的剪切应力?扭转角的关系曲线及其微观变形机制

Fig.2 Shear stress?torsion angle relation curve of copper nanowires I and its microscopic deformation mechanism

图3 不同扭转角下铜纳米线Ⅰ的剪切应变云图

Fig.3 Shear strain cloud image of copper nanowires Ⅰ at different torsion angle

图4 不同晶向铜纳米线的剪切应力与扭转角的关系曲线

Fig.4 The relationship between shear stress and torsion Angle of copper nanowires with different crystal orientation

图5 不同扭转角下内外直径比为1/2的铜纳米线的剪切应变云图

Fig.5 Shear strain cloud image of copper nanowires with inner/outer diameter ratio of 1/2 at different torsion angle

图6 不同内外直径比铜纳米线的剪切应力与扭转角的关系曲线

Fig.6 The relationship between shear stress and torsion Angle of copper nanowires with different α

图7 不同扭转角下孪晶界面数为4的铜纳米线剪切应变云图

Fig.7 Shear strain cloud image of copper nanowires with 4 twin interfaces at different torsion angle

图8 孪晶界面个数不同的铜纳米线的剪切应力与扭转角的关系曲线

Fig.8 The relationship between shear stress and torsion angle of copper nanowires with different twin interfaces

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