非晶態(tài)二氧化硅的拉伸變形行為與微觀機理.pdf

1、硅藻是一類生活在水環(huán)境里的單細胞、光合作用浮游生物。主要由非晶態(tài)SiO2構成的硅藻殼壁,形式獨特多樣,具有從納米到微米尺度的、復雜的多層次孔洞結構。因殼壁結構具有優(yōu)異的力學、光學和傳輸特性,正日益受到人們的關注和重視。
　　非晶態(tài)SiO2是自然界大量存在的脆性材料,處于體相狀態(tài)的非晶態(tài)SiO2,一旦初始裂紋擴展就很容易失效,且在其斷裂過程中只吸收很少的能量。但是,最近的實驗和計算發(fā)現(xiàn),在微納尺度下,主要由非晶態(tài) SiO2構成的硅藻

2、殼壁,盡管存在多孔洞排列的結構,卻表現(xiàn)出很好的力學特性,具有很高的剛度和斷裂韌性,其取值甚至可以與廣泛使用的工程材料處于相同范圍。
　　本文基于ReaxFF反應力場,在微納尺度下,應用大規(guī)模分子動力學方法,模擬了非晶態(tài)SiO2塊體結構和非晶態(tài)SiO2薄片孔洞結構的單軸拉伸變形-斷裂過程;研究了微觀結構及尺寸對非晶態(tài) SiO2力學特性的影響,揭示了結構的微觀變形機理。主要研究內容如下:
　?、俅_定了通過熔融-淬火過程來制備模型

3、,并制備了模擬所需的非晶態(tài) SiO2樣本;確定了拉伸變形-斷裂過程的模擬方法。
　　②模擬了非晶態(tài) SiO2塊體結構在不同長度尺寸下的單軸拉伸變形-斷裂過程,研究了尺寸對非晶態(tài)SiO2塊體結構力學特性的影響。應力-應變行為顯示,小尺寸模型表現(xiàn)出了比大尺寸模型更好的極限強度、塑性和韌性;對系統(tǒng)微結構演變的分析,揭示了局部區(qū)域空洞的聚集和擴展導致了模型斷裂,同時,小尺寸模型微結構更大的不可逆的變形,導致小尺寸模型發(fā)生脆性到延性的轉變,

4、使得其表現(xiàn)出了比大尺寸模型更好的極限強度、塑性和韌性。
　?、勰M了非晶態(tài) SiO2薄片孔洞結構的單軸拉伸變形-斷裂過程。研究了薄片長度和孔洞直徑對非晶態(tài) SiO2薄片孔洞結構力學特性的影響。分析結果表明,對于同一長度尺寸的薄片,塑性區(qū)間、韌性、極限應力和失效應變等都隨徑長比的增大而逐漸減小;而在相同徑長比下,較小尺寸模型表現(xiàn)出比較大尺寸模型更好的力學特性。對原子構型演變和等效Von Mises應力分布的分析,發(fā)現(xiàn)較小尺寸模型的拉