材料力学中的纳米颗粒聚集行为研究
1. 纳米颗粒聚集的基本概念和原因
纳米颗粒聚集指的是纳米级颗粒在空间中自发地相互靠近形成聚集体或聚集结构的行为。在材料力学中，纳米颗粒聚集现象普遍存在于多种材料体系中，包括粉体、颗粒填充聚合物、纳米复合材料等。纳米颗粒聚集行为的研究对于理解材料力学性能、材料加工和材料的应用具有重要意义。
纳米颗粒聚集的原因主要有以下几个方面：
（1）范德华力：纳米颗粒之间的吸引范德华力使得颗粒相互靠近，范德华力主要来源于离子间相互吸引力、极性分子间的相互吸引力以及氢键等。
（2）静电相互作用：同种电荷的纳米颗粒之间的静电相互作用会使颗粒相互排斥，而不同电荷的颗粒之间静电相互作用会使颗粒相互吸引。
（3）包络作用：纳米颗粒表面的有机分子或胶体物质能形成覆盖层，使颗粒之间出现包络作用，促进聚集的发生。
（4）扩散：纳米颗粒由于热力学作用以及外加力的作用，会发生不受控制的扩散运动，最终导致颗粒相互接触和聚集。
2. 纳米颗粒聚集对材料性能的影响
纳米颗粒聚集行为对材料性能产生了多方面的影响，其中关键的几个影响因素如下：
（1）力学性能：纳米颗粒的聚集程度直接影响材料的力学性能，如材料的拉伸强度、抗压强度、硬度等。
（2）电子性能：纳米颗粒的聚集现象会导致电子的隧穿效应和载流子的限域效应，从而影响材料的电学性能。 （3）热学性能：纳米颗粒的聚集会导致材料的热导率和热膨胀系数的变化，进而影响材料的热学性能。
（4）光学性能：纳米颗粒的聚集行为会对材料的光学性质产生显著的影响，如吸光度、折射率和发光性能等。
3. 纳米颗粒聚集行为的研究方法和技术
为了研究纳米颗粒的聚集行为，科学家们已经开发出了许多先进的研究方法和技术。以下是几种常用的方法和技术：
（1）原位观察技术：利用原位观察技术，如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）等，可以实时观察纳米颗粒的聚集行为，揭示聚集机理。
《材料科学前沿》
学 号： S13003096
流水号： S20130357
姓 名： 张东杰
指导老师： 郝耀武
1
纳米晶材料的物理性能
摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。
关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能
1、引言
纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。
纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料； 具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。
纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。
中国科学技术大学
博士学位论文
金属熔体与金属玻璃热力学行为的分子动力学模拟
姓名：***
申请学位级别：博士
专业：固体力学
指导教师：王秀喜;Moneesh Upmanyu
20060501摘要
本文综述了纳米尺度下材料的热力学行为，以及金属熔体与金属玻璃领域已
取得的研究成果，对如何采用分子动力学这一原子模拟技术分析材料热力学性能
的数值方法进行了深入系统的阐述，并采用分子动力学方法模拟了单晶铜的体熔
化、表面熔化与表面预熔化过程，金属玻璃铜和非晶钛铝合金的形成过程与微观
结构，以及金属玻璃铜和非晶钛铝合金的应力晶化行为。研究了纳米尺度下金属
熔体与金属玻璃独特的热力学行为，并分析了其内在的原子机制。从固体材料热力学行为原子尺度模拟这一角度系统阐述了分子动力学数值
模拟技术，讨论了分子动力学模拟中一些关键问题，如温度控制、压力控制、原
子势函数等。
采用分子动力学方法模拟了单晶铜的体熔化与表面熔化行为。体熔化与表面
熔化的不同发生机制导致体熔点高于热力学熔点。在实际熔化中表面熔化处于支
配地位，实验测量的是热力学熔点。动力学系数定义为界面移动速度与过热程度
的比值，表现为明显的各向异性。
原子尺度数值模拟了应变效应对单晶铜的表面预熔化行为的影响。热稳定性
与表面的密排顺序一致：Ｅｌｏｏ］和［１ｌｏ］表面在略低于熔点时发生预熔化，准液体
层的厚度随着温度升高而增大，［１１１］表面存在明显的过热现象。应变效应导致
固相自由能增加，进而造成表面热稳定性下降，且应变与表面应力方向的异同也会影响表面预熔化进程。
采用分子动力学方法模拟铜与钛铝合金的快速凝固过程，研究了其晶化与玻
璃转化过程。在较慢的冷却条件下，形成面心立方晶体；在较快的冷却条件下，
形成金属玻璃。与晶体铜比较，金属玻璃铜有较高的能量和较大的体积，其内部
晶格畸变导致了本征应力的存在。非晶合金在常温下具有良好的热稳定性，在较
高温度则发生晶化现象。
本文研究了金属玻璃铜的应力晶化行为。在拉伸变形中，初始流动应力高于
碳纳米管内金纳米线的结构与热稳定性3
张凯旺 孟利军 李 俊 刘文亮 唐 翌 钟建新
(湘潭大学物理系,湘潭 411105)(2007年9月18日收到;2007年11月14日收到修改稿)
采用分子动力学模拟方法,研究了填充在(8,8)单壁碳纳米管内的Au纳米线的结构和热稳定性.研究表明,经高温退火至室温,Au在碳纳米管内能生成多样而稳定的结构上明显区别于自由状态Au纳米线的壳层螺旋结构Au纳米线,其螺旋结构会随着温度的变化而转变.束缚在碳纳米管内的壳层螺旋结构Au纳米线有非常好的热稳定性,稳定温度高于块体Au晶体的熔化温度.
关键词:纳米线,碳纳米管,热稳定性,分子动力学模拟
PACC:6146,6185,6550
3湖南省教育厅重点项目(批准号:05A005)和长江学者奖励计划资助的课题.E2mail:kwzhang@11引言
碳纳米管中填充各种材料形成奇特的结构,引
起了人们普遍的关注.通过填充碳纳米管的一维空
腔,可有效调控碳纳米管的电性、磁性、热传导性、
光学及力学性能.碳纳米管中填充各种金属制成新
奇的材料成为开发一维纳米导线的有效途径.在碳
纳米管的一维限域空腔内,填充物原子在碳纳米管
内部的排列方式不同,金属纳米导线将具有奇异的
电性质.利用碳纳米管的纳米级空腔作为模板制备
一维金属纳米线,可以制作纳米电路和纳米电子元
器件.这种碳纳米管包裹着的金属线由于有碳外壳
抗氧化的保护而有长期稳定的金属芯[1—5].人们使
用不同的方法已经成功地将各种金属或金属复合材
料[3—11]填充到碳纳米管中.1992年,Broughton等[6]
利用计算机模拟从理论上验证了物质填入碳纳米管
的可行性.1993年Ajayan和Iijima[3]将碳纳米管与
Pb一起高温退火,熔融的Pb因毛细管作用而填充
进管内,得到了填充有Pb的多壁碳纳米管.碳纳
米管的填充方法主要有固相熔融法[1,3,4]、液相湿化
学法[5,7]、电弧放电法[8,9]、催化热解法[10,11]等.依据
