分子动力学模拟在复合材料界面研究中的进展.pdfVIP

第42卷 第3期 稀有金属材料与工程 、，01．42．No．3 2013年 3月 RAREMETALM姗IUALS ANDENGINEEⅪNG March2013 分子动力学模拟在复合材料界面研究中的进展 李健，杨延清，罗 贤，金娜，李茂华，黄斌，韩 明 (西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安710072) 摘 要：对分子动力学和第一性原理的基本理论进行了简介，综述了近年来国内外使用经典分子动力学和第一性原理分 子动力学方法对复合材料界面进行模拟研究的进展。分别对界面原子构型、电子结构、相互作用能、应力和载荷传递、 界面力学性能参数，以及其变形失效等方面的模拟计算进行了概述，归纳分析了分子动力学模拟所能解决的各类界面问 题，并对其应用和发展方向进行了展望。 关键词：分子动力学模拟：复合材料；界面 中图法分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1002．185x(2013)03．0644．05 复合材料以其所具有的优异性能，吸引了众多研 分子动力学模拟才真正成为材料科学领域的一个重要 研究方法[9，12，1 究者的注意，非均质性是其最本质特征，且非均质相 31。而且，自从20世纪90年代以来， 界面对其组织和性能具有直接影响，因此界面已成为 由于计算机性能的快速提高，在计算材料科学中使用 复合材料的一个研究热点【l。8】。 分子动力学模拟凝聚态材料的研究得到飞速发展。可 分子动力学(moleculardynamics，MD)能够在原子以说，分子动力学是进行材料纳观尺度(10。9m)模拟的 或分子尺度上进行建模计算，且模拟结果与实验值一致 一个主要方法，此外，相比于蒙特卡罗方法，该方法 性较好，已经被越来越多的研究者应用于复合材料相界 更适合于求解与时间相关的问题[1319】。 面的模拟计算中[9。21。相对于传统实验手段，采用计算 1．1经典分子动力学方法 模拟方式进行复合材料的界面研究具有极大的时间和 经典分子动力学方法是按该体系内部的内禀动力 经济优势，对于稀贵金属复合材料的研究这尤为突出。 学规律(常用理论力学上的哈密顿量或拉格朗日函数 加之复合材料本身就具有多尺度特征，在原子尺度上对 来描述)计算并确定位形的转变。首先针对微观物理体 其界面建模模拟，不仅可以建立从原子尺度到更高尺度 系，给出体系内粒子间相互作用势，建立一组运动方 下的跨尺度理论模型，而且对于以最终性能预测为目标 程，认为每个粒子都服从经典牛顿力学定律，然后通 3，14】。 过对方程进行数值求解，得到各个粒子在不同时刻的 的复合材料设计也具有重要的指导和参考价值【1 坐标与动量，即其在相空间的运动轨迹，再利用统计 1 分子动力学简介 计算方法得到多体系统的静态和动态特性，从而得到 对统计力学体系进行计算机模拟时，需要确定体 系统的宏观性质【12，”]。 系在相空间中随时间的位形变化。按照产生位形变化 对N个粒子的多体系统，一个粒子f的状态“是 的方法，可以把计算机模拟分成两大类：一类是随机 由其在相空间的6个坐标决定的，这包括3个位置坐 模拟方法，如蒙特卡罗方法；另一类是确定性模拟方 标r，和3个动量坐标p，。共有6个一阶微分方程(牛顿 法，即分子动力学方法[9，12，13】。 运动方程)来描述该粒子【13]：