非晶態(tài)二氧化硅納米線的斷裂失效行為與機理.pdf

1、非晶態(tài)SiO2納米線具有獨特的力學(xué)、光學(xué)和電學(xué)特性，可以做成納米器件潛在地應(yīng)用于微/納機電系統(tǒng)，如納米傳感器和納米電線等。因此關(guān)于非晶態(tài)SiO2納米線力學(xué)特性和失效行為的研究顯得非常重要，近年來已經(jīng)受到諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注。許多微/納機電設(shè)備，例如化學(xué)和生物傳感器及微流體裝置等，直接暴露在潮濕環(huán)境中，很容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。因此潮濕環(huán)境下非晶態(tài)SiO2納米線力學(xué)特性和失效行為的研究也顯得尤為重要。本文應(yīng)用大規(guī)模分子動力學(xué)模擬方法，采用Re

2、axFF反應(yīng)力場勢函數(shù)，模擬了干燥和潮濕環(huán)境下非晶態(tài)SiO2納米線的單軸拉伸變形行為。研究了納米線尺寸、溫度、應(yīng)變率以及環(huán)境濕度等因素，對非晶態(tài)SiO2納米線力學(xué)特性和失效行為的影響，并揭示了其微觀變形機理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①通過熔融-淬火α-石英的方法制備了體相非晶態(tài)SiO2樣本。制備了干燥和潮濕環(huán)境下非晶態(tài)SiO2納米線樣本，并確定了納米線單軸拉伸變形的模擬方法。②模擬了非晶態(tài)SiO2納米線的單軸拉伸變形行為，研究了

3、納米線尺寸、環(huán)境溫度和應(yīng)變率對非晶態(tài)SiO2納米線力學(xué)特性和失效行為的影響。隨著納米線直徑的增大，楊氏模量和極限強度增大；隨著納米線長度的增大，極限強度和失效應(yīng)變逐漸減小，而楊氏模量基本保持不變；隨溫度的升高，楊氏模量和極限強度逐漸減?。浑S著應(yīng)變率的增大，極限強度和失效應(yīng)變逐漸增大。③通過對非晶態(tài) SiO2納米線拉伸過程中原子構(gòu)型演變和最大空洞演變的分析，發(fā)現(xiàn)較小直徑納米線（D=2.23 nm）完全由局部頸縮導(dǎo)致斷裂失效。而較大直徑納米

4、線（D≥3.20 nm）首先發(fā)生輕微的局部頸縮，然后隨著內(nèi)部空洞的生長與集聚，納米線表面裂紋開始萌生并迅速擴展，內(nèi)部空洞的生長與集聚以及表面裂紋的萌生與擴展共同導(dǎo)致了納米線斷裂。④模擬了潮濕環(huán)境下非晶態(tài)SiO2納米線的單軸拉伸變形行為，研究了不同的潮濕環(huán)境對非晶態(tài)SiO2納米線力學(xué)特性的影響。潮濕環(huán)境下納米線表層原子與水分子發(fā)生水解反應(yīng)生成硅醇，納米線極限強度和失效應(yīng)變均比干燥條件下的值小。并且，隨著環(huán)境濕度的增大和環(huán)境溫度的升高，納米