原子热运动的非线性和对纳米材料变形动力学过程的影响

项目名称： 原子热运动的非线性和对纳米材料变形动力学过程的影响

项目编号： No.11202212

项目类型： 青年科学基金项目

立项/批准年度： 2013

项目学科： 数理科学和化学

项目作者： 肖攀

作者单位： 中国科学院力学研究所

项目金额： 26万元

中文摘要： 实验表明，温度和加载应变率对材料力学性能有着显著影响。温度源于原子热运动，特征时间尺度为ps量级；而应变率则与动力学变形引起的原子运动相关，通常实验加载时间尺度为ms~s量级，与热运动特征时间相差近10个量级。这一巨大差距导致微/纳米尺度分子模拟方法难以在刻画了温度效应的同时，又做到与实验加载过程直接相比。本申请项目拟先采用分子动力学方法模拟纳米材料的动力学加载过程，分析原子热运动对变形动力学过程的影响，来系统研究三个基本问题：原子热运动的非线性近似表征方法、应变率效应的微观机制、热运动和变形运动的相互作用规律。以此为基础，探索发展新的分子模拟方法，用于纳米材料在有限温度、实际加载应变率下变形行为的计算。此项研究将有助于解决原子热运动对动力学过程模拟在时间尺度上的制约，并促进跨时间尺度分子模拟方法的发展。对微/纳米尺度材料力学性能研究，具有重要的理论价值和实际意义。

中文关键词： 非线性热运动；多时间尺度方法；分子应变率效应；分子统计热力学方法；分子动力学方法

英文摘要： Experiments show that temperature and loading strain rate can dramatically affect mechanical properties of materials. Microscopically, temperature is corresponding to atomic thermal vibrations with their intrinsic time scale of about 1 fs to 1 ps. The strain rate is related to atomic motions due to dynamic deformations. Normally, the time scale of mechanical loadings in experiments is about 1 ms to 1 s which is at least 10 orders of magnitude larger than that of atomic thermal vibrations. Because of this huge temporal gap, it is rather difficult to simulate micro/nano-materials' mechanical responses at a realistic loading strain rate comparable to that in experiments yet with temperature effects considered simultaneously using a molecular simulation tool. In this application, we are going to simulate the dynamic loading processes of nano-materials using molecular dynamics. By analyzing the effect of atomic thermal vibrations on the deformation dynamics, three problems will be studied systematically: approximation method for presenting the non-linear atomic thermal vibrations, the microscopic mechanisms of loading strain rate effects on mechanical properties of materials and the interaction between thermal vibrations and deformation dynamics. Based on these results, a new molecular modeling method is planned to b

英文关键词： Nonlinear thermal vibrations；multi-time scales method；molecular strain rate effect；molecular statistical thermodynamics；molecular dynamics