双铁块约束的2纳米颗粒(金刚石和二氧化硅)摩擦学性能的分子动力学模拟

双铁块约束的2纳米颗粒（金刚石和二氧化硅）摩擦学性能的分子动力学模拟

关键词：

金刚石纳米颗粒

二氧化硅纳米颗粒

分子动力学

摩擦学行为

摘要

通过分子动力学模拟对金刚石和二氧化硅（SiO 2）纳米粒子的摩擦学行为进行了检查；四例模拟。在低速和低负载下，纳米颗粒把两个块彼此分离，并起着球轴承的作用。由于行动的纳米颗粒，塑料变形，温度分布，和摩擦力均得到改善。然而，当负载增大时，变形，进而引起滚动效应的损失，会产生纳米SiO 2颗粒的破碎。没有纳米粒子，传输层在高速和低负载形成。这2纳米颗粒提供了一定时间的支撑。然而，在高的速度和高负载，在一个短的滑动时间内这些纳米粒子的支持效果变遗失。

引言

添加纳米颗粒大小为1～120纳米的润滑油作为减摩抗磨添加剂在最近几年已收到显着的注意。实验结果表明，各种纳米粒子如金属，金属氧化物，硫化物，非金属和稀土可以提高减摩抗磨性能的润滑油。然而，这些纳米粒子的润滑机制仍不能被完全理解。

这些润滑机制目前主要通过实验方法研究。事实上，研究人员已经提出了几种机制，这些机制是基于扫描电子显微镜图像和能量色散谱谱的磨损表面的分析。这些机制包括：（一）（a）滚动摩擦（b）第三体材料（c）表面保护膜和（d）自修复效应。然而，这些机制是揣摩性的，即，仅仅根据实验结果，但缺乏

理论支持与直接证据。表示，一般试验中的润滑状态是边界润滑，薄膜润滑，和弹流润滑。此外，纳米粒子的润滑机理随着润滑状态的变化而变化。还有关于导致减摩抗磨纳米润滑表面的主导机制没有达成共识。例如，ghaednia和杰克逊是不确定是否纳米粒子，可以转动可以起到纳米球轴承的作用，可能会引起磨粒磨损，或在粗糙的顶部形成tribolayers。周和李质疑是否真的是纳米金刚石颗粒真的会表现出滚珠轴承的作用。这些问题是不容易解决的实验。因此，对于他们的决心，额外的研究方法是必不可少的。

对于纳米摩擦学行为的实验研究，分子动力学模拟方法一般是认为是一个非常有用的补充工具。在原子水平上，许多研究已经报道了详细的摩擦过程，这是通过使用分子动力学方法的结果。纳米粒子的减摩抗磨机理的几个MD模拟已进行了。例如，铝等。通过对不同压力下纳米颗粒的运动分析。研究了铜-氩纳米流体在固体平板间的摩擦行为

然而，对摩擦系统的机械性能没有进行研究。在以前的工作中，我们模拟了纳米颗粒对润滑剂膜的流变性能的影响。但是对纳米粒子对摩擦副的机械性能的影响效果不予考虑。最近，我们研究

了软纳米粒子（铜）对的固体接触的摩擦表面的影响。结果表明，在低速状态下，铜摩擦表面上形成的纳米薄膜具有良好的润滑性能。虽然很有用，但这些研究并没有说明纳米粒子润滑机理。润滑机制将不同纳米粒子类型。然而，研究所有纳米粒子的摩擦学性能是不切实际的，对这样的研究调查，将其分类为软和硬粒子代表一种更有效的执行方式。因此，在这项工作中，我们通过分子动力学模拟研究硬质粒子的摩擦过程。

金刚石、二氧化硅（SiO 2）是两种典型的硬颗粒和许多实验研究报道由于他们的加入，摩擦性能有良好的改善。作为润滑剂添加剂，这些纳米粒子的润滑机制，表现出类似的的特点，即：（A）他们作为上十亿的粒子摩在擦表面之间滚动和（B）他们分开两摩擦面，防止直接接触。然而，由于两者的原子种类、结构和硬度的不同，其摩擦学性能也有所不同。纳米SiO 2是廉价的，具有很好地亲和力。我们相信，纳米SiO 2颗粒替代纳米金刚石颗粒仅在某些润滑条件下是可行的。为了解决这个问题，我们将比较两纳米颗粒的摩擦学行为。纳米颗粒在边界和混合润滑条件表现最有效。在混合和边界润滑条件下，摩擦表面总是有固体之间的接触，从而导致局部表面破碎。这个纳米颗粒在摩擦表面上的改善润滑效果是抗磨减摩性能的必要。因此，在这项工作中，通过分子动力学模拟研究硬纳米颗粒（金刚石和SiO 2）对摩擦表面间的固体接触的影响。

模型与仿真

2.1模型设置

模拟系统的快照如图1所示。

两个类似的铁（铁）块作为摩擦副。当没有纳米粒子，两块彼此直接接触（图1a）。然后一个半径为15?纳米粒子放被在两块之间（图1b），防止直接接触。这个纳米粒子是自由移动，没有人工约束。周期性边界条件的施加在x和z方向。正如在我们以前的研究中，块包括六层，即：刚性层（1、6），恒温层（2、5）和自由可变形层（3、4）。此外为了固定温度在300K

Nose-Hoover贴在恒温层，各刚性层由静止的原子组成，而由于原子间的作用力，在自由变形层不受约束和自由移动。在相反方向上的2个刚性层滑动速度为V，正常负载（对）施加在上刚性层，较低的刚性层在y方向是固定不动的。

2.2分子动力学

铁原子之间的相互作用是通过嵌入原子方法（EAM）势能。EAM可以能够很好地描述金属系统的性能。研究中使用的EAM 势能参数由邦尼等人开发。一个元素间势能采用碳–碳（C–C）相互作用。BKS势能采用SiO 2纳米颗粒。2.4e硅原子和氧原子-1.2e的部分电荷用于BKS势能为了提供静电相互作用。SiO 2的BKS势参数潜在的价值可以在工作发现。在表1给出的12-6兰纳-琼斯势的势参数把Fe–C，Fe–Si，Fe–O之间的相互作用模型化。

2.3。模拟程序

模拟使用经典的开放源MD LAMMPS代码。采取了三个步骤来实现仿真。首先，该系统被放宽为200皮秒和达到平衡状态。在这一步，规范集成（NVT）适用于恒温器和自由变形层，即分别为层（2，5）和（3，4），然后这个负载力P逐渐施加到上刚性层，我们再平衡系统。这种再平衡的过程中，图1。而无纳米仿真系统快照（a）与硬颗粒系统（金刚石和SiO 2）（b）。在纳米SiO 2紫色和青色点分别代表硅原子和氧原子。（对参考图中的色彩图例的解释，读者可以参考用于自由变形层NVT系综的网络版本，它转变为微正则系综（NVE）。然后在相反的方向上拉上下刚性层，速度V；滑动摩擦在1600 ps时间内实现。在这项研究中，我们使用速度Verlet算法计算原子的运动；用于模拟的时间步长为0.002皮秒。在滑动模拟，通过监测z方向力对摩擦的演变进行跟踪，则要求保持刚性层的恒速。

表1

伦纳德琼斯能量（ε）和距离（σ）Fe，Si，O，C

图1。纳米仿真系统快照（A）与硬颗粒系统（金刚石和SiO 2）（B）。在SiO 2纳米粒子的紫色和青色点分别代表硅和氧原子，

结果与讨论

在我们以前的工作，我们发现，纳米颗粒改善摩擦性能的机制随

滑动速度变化而变化。在这项研究中，金刚石和SiO 2纳米粒子的摩擦学性能也将基于低速和高速进行分析。

3.1.低速摩擦状态

被认为是一个滑动速度为10米/秒。

3.1.1.低载荷下的摩擦过程

图2显示了在500兆帕的低负荷下发生的摩擦状态。选定的原子（蓝色和红色的原子）在2块中赋予不同的颜色，以显示在滑动过程中的塑性变形和界面滑移。在纳米粒子的情况下，通过施加一个正常的负载使2块被连接（接触）。由于剪切应力导致直的标记成为弯曲，具有典型的变形微结构形成在这两个块中。硬质纳米颗粒（金刚石和SiO 2）加入使两个块彼此分离。这与陶等，彭等和mochalin等人的发现是一致的。这些人提出，两个纳米颗粒把摩擦面分开，从而防止他们的直接接触。在滑动摩擦过程中标记保持直线，表明摩擦副仅轻微变形。摩擦副表面的直接接触与塑性变形应引起粘着疲劳和接触疲劳。因此，硬质纳米颗粒（图2）的摩擦行为可降低磨损率，改善磨损表面形貌。事实上，实验结果表明，作为润滑油添加剂，两纳米颗粒减少磨损，平滑磨损表面超过纯基础油的性能。分析标记（黄原子）的纳米颗粒的位移显示，两个纳米粒子在摩擦表面之间起到球轴承的作用。此外，绘图绕X轴的角速度（图3）表明，大部分的滑动过程纳米粒子向顺时针方向旋转。这为纳米颗粒抗磨减摩机理提供了直接证据，即球形纳米颗粒很容易在摩擦表面之间滚动，将滑动摩擦转化为滑动和滚动的混合摩擦。

图4显示了2纳米颗粒对摩擦表面形态的影响。随着滑动时间的增加形成的凹槽，证明了2纳米颗粒在滚动摩擦过程中具有切削作用。在边界润滑条件下，摩擦表面的固体接触主要由粗糙接触产生。这些粗糙被穿透接触面积的纳米颗粒磨光。因此，两者的切割作用有利于改善粗糙表面形态。陶等，彭等，周等，伊万诺夫等，与新航等。这些人提出的在摩擦表面钻石和SiO 2也会产生抛光作用。事实上，在摩擦试验后测试材料和摩擦表面的测试配置文件表明，摩擦表面之间加金刚石和SiO 2纳米颗粒润滑比试验材料更光滑。因此，在边界润滑条件下，两个硬质纳米颗粒对摩擦表面有抛光效果。

固体接触表面的温度分布对摩擦学特性有重要影响。这是通过将系统沿Y轴分成若干层，确定温度分布，并计算各层的平均温度。图5显示是在滑动时间为400 ps内沿y方向的温度分布。由于避免了摩擦副的直接接触，含有两硬质纳米颗粒系统比没有纳米颗粒的配对物具有较低的温度。没有纳米粒子，自由变形层的温度由于严重的剪切变形上升显着。这表明，硬纳米颗粒添加润滑油对减少摩擦副的温度是有效的。这一发现与伊万诺夫等人以前的实验研究一致。监测摩擦副的温度发现，相比于基础油，当纳米金刚石作为润滑油添加剂时，摩擦表面的温度将降低100o C。此外，刘等人发现，超细金刚石导致摩擦表面本体温度的降低。

3.1.2高载荷下的摩擦过程

图6比较了金刚石和SiO 2纳米颗粒在1000 MPa高负载下的摩擦状态。为了便于观察，在图中没有显示上块。在低负载情况下，两

颗粒分离块和摩擦副表现出只有少量的塑性变形。此外，由于其高硬度，金刚石纳米颗粒的形状在高负载下保持不变。相比之下，纳米SiO 2在高压力下被粉碎。纳米颗粒上的标记（黄原子）的位移证实，在摩擦表面之间，金刚石纳米粒子仍然作为一个球轴承。然而，变形引起的滚动效应的损失发生在SiO 2纳米颗粒情况下。一在高负载的情况下绕X轴的角速度图（图7）表明，SiO 2纳米颗粒几乎没有平均角速度。因此，在高负载下，SiO 2纳米颗粒的摩擦状态是由完全滑动摩擦构成；这不同于在低负载条件下摩擦状态。此外，SiO 2纳米颗粒被压进下块并随之移动，因此在摩擦表面无槽沟（图6）。3.1.3摩擦力

图8中绘制的是摩擦力。在我们以前的研究，我们发现，没有纳米粒子的500MPa的负载导致的摩擦力大约5 GPa。如图8所示，摩擦力因金刚石和SiO 2纳米颗粒的加入显著降低。然而，无论在低和高负载下添加剂为金刚石的摩擦力都小于SiO 2的。这种差异从更小的相互作用强度的铁-碳与铁-硅和铁-氧相比中得出结果（表1）。此外，由于变形行为，SiO 2纳米颗粒和块体间的接触面积大于金刚石纳米颗粒。在高负载条件下，金刚石转化滑动摩擦为滚动摩擦，而SiO 2的摩擦状态则被描述为纯滑动摩擦。

摩擦副的温度升高是由于摩擦功率，这是表示作为关于摩擦力和滑动速度的一个函数。因此，金刚石纳米颗粒的加入导致铁块降低的温度比SiO 2纳米颗粒的添加要低，如图5.所示。

3.2高速摩擦状态

还考虑了500米/秒的高速滑动速度的摩擦状态。这种速度比在该速度向滑动接触时的摩擦力发生的速度弱化过渡还要高。

3.2.1.低载荷下的摩擦过程

我们在图9和图10显示在500 MPa低负荷下，金刚石和SiO 2纳米颗粒的摩擦过程。在纳米粒子中的标记（黄色的原子），揭示两纳米颗粒的滚动效果。无纳米颗粒，剧烈改变的材料区域（即，传输层）形成相邻的2块的界面，如图9所示。Rigney等人，哈默伯格等人，基姆等，还报道了一个稳定转移层的形成。在我们以前的工作，当一个软纳米粒子（铜）加入时一个稳定的传输层也形成了。然而，使用两个硬纳米颗粒遏制产生的摩擦状态，防止在高速状态下块的直接接触。当金刚石纳米粒子被添加，形成的传输层阻碍了整个摩擦过程。图10显示了SiO 2纳米颗粒仅仅在最初状态下防止两块的直接接触。然而，两块的直接接触的滑动时间高于1100ps，导致的传输层的形成。这说明金刚石纳米颗粒对提高高速摩擦学性能比SiO 2纳米颗粒更有效。这种在摩擦学性能上的差异由对负载反应不同导致；即，SiO 2纳米颗粒在载荷作用下变形（图10），而金刚石纳米颗粒没有任何变形。此外，铁-硅和铁-氧相互作用力是高于铁-碳（表1）。因此，SiO 2纳米颗粒导致摩擦表面的更严重的塑性变形，切削深度也比其相对物金刚石增长地要快。因此，在1100皮秒的滑动时间内2个块直接接触（图10），从而导致在界面附近传输层的形成。

图11显示了在800ps的滑动时间内温度分布在这过程中，纳米颗粒对块都提供了极好的支持。林等人，基姆等，和卡菲等人。以前报道，在中间区域（传输层）时，没有纳米粒子的温度急剧上升。与没有纳米粒子的情况下相比，两纳米颗粒的加入导致的温度分布的一个显着的改善。

3.2.2.高载荷下的摩擦过程

随着负载的增加，摩擦状态发生显著变化。图12显示了两纳米粒子在1000 MPa高负荷下的摩擦过程。两个纳米粒子被限制在传输层，只有在很短的滑动时间后传输层便形成。由于纳米颗粒的切削深度快速增加，层的形成被加速（相比降低负载，例如，500兆帕）。塑性变形，纳米化，非晶化，摩擦发热，和非平衡材料的流动现象是在摩擦作用中转移层的共同特征。这些特点对滑动系统的摩擦和磨损性能有相当大的影响。此外，转移层的摩擦学性能可能被限制其中的硬纳米颗粒所影响。在今后的工作中，这种可能性将被测试。

总结

在这项工作中，利用分子动力学模拟研究了两硬质纳米颗粒的摩擦性能（金刚石和SiO 2）揭示了控制他们抗磨减摩性能的机制。从这项研究中可以得出以下结论：

（1）2纳米颗粒的摩擦学行为在低载荷（500兆帕）和低滑动速度（10米/秒）之间具有相当的相似性。两块被金刚石和SiO 2纳米颗粒分开，摩擦副只是稍微变形。这导致了温度分布与摩擦力的改进。将纳米颗粒起到球轴承的作用，并将滑动摩擦转化为滑动和滚动的混

合摩擦。对形态变化进行了分析，结果表明，硬质纳米粒子对摩擦表面具有抛光效果。此外，当负荷增加至1000MPa时金刚石的摩擦学改变，相反，在负载下破碎的纳米SiO 2是伴随着一个变形引起的滚动效应损失。

（2）没有纳米粒子，一个转移层形成在高速低载荷状态下v=500 m / s和p=500 MPa低负荷。然而，在整个仿真模拟过程中，金刚石纳米粒子阻止两者之间的直接接触，没有转移层形成。在模拟仿真过程中，SiO 2纳米颗粒提供了一定时间的支持。由于纳米颗粒的支撑作用，摩擦系统的温度分布有明显的改善。此外，纳米颗粒还起到球轴承的作用。然而，在高速和高负载（500米/秒，1000MPa），纳米颗粒的支撑作用在一个短的滑动时间便消失，转移层丢失迅速形成。

不同形貌铜纳米颗粒的制备与催化性能研究_赵一

宝鸡文理学院学报(自然科学版),第28卷,第4期,第293-297页,2008年12月 Jo ur na l of Baoji U niver sity o f A rts and Sciences(Natur al Science),V ol.28,N o.4,pp.293-297,Dec.2008 不同形貌铜纳米颗粒的制备与催化性能研究* 赵一 (陕西师范大学化学与材料科学学院,陕西西安710062) 摘要:目的制备一系列不同形貌的铜纳米颗粒,探讨影响金属纳米晶体形貌和尺寸的因素,并研究其催化性能。方法采用化学还原法和水热法进行合成。结果合成出立方体,小球体,片状和枝状形貌的铜纳米颗粒,并选用立方体和小球体这两种具有代表性的铜纳米颗粒应用于苯羟基化反应中,发现立方体形状的铜纳米颗粒具有更高的催化活性。结论就大多数反应而言,较低的反应前驱物浓度、较低的反应体系温度、较长的反应时间以及适当的助剂,有利于生成形貌规整,尺寸均匀,分散性较好的纳米晶体;且铜纳米颗粒催化活性与其暴露晶面有关,高能晶面的催化活性较高。 关键词:铜;纳米结构;催化 中图分类号:O614.121文献标志码:A文章编号:1007-1261(2008)04-0293-05 Preparation and studying on catalytic performance of copper nanoparticles with different shapes ZH AO Yi (Schoo l o f Chemistr y&M ateria ls Science,Shaanxi No rmal U niver sity,Xi.an710062,Shaanx i,China) Abstract:Aim T o pro duce copper nanoparticles w ith different shapes and discuss the influences of sizes and shapes in synthesis o f nanoparticles and their catalysis performance.Methods T he copper naoparticles w ere prepared by chemical r eductio n and hydr o-ther mal metho d.Results A series of cop-per nanoparticles have been prepared,including cubes,near-sphericity,plates and branches.And com pared the reactive activ ity o f cubic and near-spherical copper nanoparticles in hydr oxy lation of ben-zene.T he cubic copper nano particles show the higher reactive activity.Conclusion Generally,an u-nifo rm sizes and shapes and goo d dispersity nano particles could be prepared by low co ncentratio n of re-actant,low sy stem temperature,long r eactive tim e and suitable surface active ag ents.T he cry stal faces of copper nanoparticles play an essential ro le in determ ining the catalytic hydr oxy lation of ben-zene.T he planes w ith higher surface energ y ar e mor e reactiv e. Key words:copper;nanostr uctures;catalysis 近年来,关于纳米级催化剂的研究发展迅速。其中大多数的研究方向集中在球形纳米的应用和特定形貌纳米颗粒的合成方面,而关于某一种特定形貌的纳米颗粒的催化效果的研究却甚少。Naray-anan[1,2]研究小组将四面体、立方体、球体3种形貌的铂纳米颗粒在同一个催化反应中做了对比,他们发现催化剂的活性主要与其形貌有关。Choudary[3]小组发现六边形M gO晶体的主要暴露晶面是[100]面,其活性高于纳米晶体样品。李亚栋[4]小组对比了3种不同形貌的Ag纳米颗粒在催化苯乙烯氧化反应中的差异,发现主要由[100]晶面组成的立方体颗粒的催化活性远远高于由[111]晶面组成的截角三角片颗粒,这说明了高能晶面的催化活性较高。 金属铜的价格低廉,性质稳定。而由于纳米级铜颗粒比表面大、表面活性中心数目多,因此,它作为催化剂有着极高的活性和选择性,是一种重要的工业催化剂原材料,而且有着广阔的应用前景。此外,纳米铜粉颗粒还应用于制造导电浆料(导电胶,导磁胶)[5]、 *收稿日期:2008-05-30,修回日期:2008-07-10.E-m ail:zy_sky8620@https://www.wendangku.net/doc/fd10053659.html, 作者简介:赵一(1982-),男,重庆人,在读硕士研究生,研究方向:纳米材料合成及其应用.

分子动力学模拟方法概述(精)

《装备制造技术》 2007年第 10期 收稿日期 :2007-08-21 作者简介 :申海兰 , 24岁 , 女 , 河北人 , 在读研究生 , 研究方向为微机电系统。 分子动力学模拟方法概述 申海兰 , 赵靖松 (西安电子科技大学机电工程学院 , 陕西西安 710071 摘要 :介绍了分子动力学模拟的基本原理及常用的原子间相互作用势 , 如Lennard-Jones 势 ; 论述了几种常用的有限差分算法 , 如 Verlet 算法 ; 说明了分子动力学模拟的几种系综及感兴趣的宏观统计量的提取。关键词 :分子动力学模拟 ; 原子间相互作用势 ; 有限差分算法 ; 系综中图分类号 :O3 文献标识码 :A 文章编号 :1672-545X(200710-0029-02 从统计物理学中衍生出来的分子动力学模拟方法 (molec- ular dynamics simulation , M DS , 实践证明是一种描述纳米科技 研究对象的有效方法 , 得到越来越广泛的重视。所谓分子动力学模拟 , 是指对于原子核和电子所构成的多体系统 , 用计算机模拟原子核的运动过程 , 从而计算系统的结构和性质 , 其中每一个原子核被视为在全部其他原子核和电子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动 [1]。它被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学研究手段 , 称之为“计算机实验” 手段 [2], 在物理学、化学、生物学和材料科学等许多领域中得到广泛地应用。

根据模拟对象的不同 , 将它分为平衡态分子动力学模拟 (EM DS (和非平衡态分子动力学模拟 (NEM DS 。其中 , EM DS 是分子动力学模拟的基础 ; NEM DS 适用于非线性响应系统的模拟 [3]。下面主要介绍 EM DS 。 1分子动力学方法的基本原理 计算中根据以下基本假设 [4]: (1 所有粒子的运动都遵循经典牛顿力学规律。 (2 粒子之间的相互作用满足叠加原理。 显然这两条忽略了量子效应和多体作用 , 与真实物理系统存在一定差别 , 仍然属于近似计算。 假设 N 为模拟系统的原子数 , 第 i 个原子的质量为 m i , 位置坐标向量为 r i , 速度为 v i =r ? i , 加速度为 a i =r ?? i , 受到的作用力为 F i , 原子 i 与原子 j 之间距离为 r ij =r i -r j , 原子 j 对原子 i 的作用力为 f ij , 原子 i 和原子 j 相互作用势能为 ! (r ij , 系统总的势能为 U (r 1, r 2, K r N = N i =1! j ≠ i ! " (r ij , 所有的物理量都是随时 间变化的 , 即 A=A (t , 控制方程如下 : m i r ?? i =F i =j ≠ i

分子动力学的模拟过程

分子动力学的模拟过程 分子动力学模拟作为一种应用广泛的模拟计算方法有其自身特定的模拟步骤,程序流程也相对固定。本节主要就分子动力学的模拟步骤和计算程序流程做一些简单介绍。 1. 分子动力学模拟步驟 分子动力学模拟是一种在微观尺度上进行的数值模拟方法。这种方法既可以得到一些使用传统方法,热力学分析法等无法获得的微观信息,又能够将实际实验研究中遇到的不利影响因素回避掉,从而达到实验研宄难以实现的控制条件。 分子动力学模拟的步骤为: (1)选取所要研究的系统并建立适当的模拟模型。 (2)设定模拟区域的边界条件,选取粒子间作用势模型。 (3)设定系统所有粒子的初始位置和初始速度。 (4)计算粒子间的相互作用力和势能,以及各个粒子的位置和速度。 (5)待体系达到平衡,统计获得体系的宏观特性。 分子动力学模拟的主要对象就是将实际物理模型抽象后的物理系统模型。因此,物理建模也是分子动力学模拟的一个重要的环节。而对于分子动力学模拟,主要还是势函数的选取,势函数是分子动力学模拟计算的核心。这是因为分子动力学模拟主要是计算分子间作用力,计算粒子的势能、位置及速度都离不开势函数的作用。系统中粒子初始位置的设定最好与实际模拟模型相符,这样可以使系统尽快达到平衡。另外,粒子的初始速度也最好与实际系统中分子的速度相当,这样可以减少计算机的模拟时间。 要想求解粒子的运动状态就必须把运动方程离散化,离散化的方法有经典Verlet算法、蛙跳算法(Leap-frog)、速度Veriet算法、Gear预估-校正法等。这些算法有其各自的优势,选取时可按照计算要求选择最合适的算法。 统计系统各物理量时,便又涉及到系统是选取了什么系综。只有知道了模拟系统采用的系综才能釆用相对应的统计方法更加准确,有效地进行统计计算,减少信息损失。 2. 分子动力学模拟程序流程 具体到分子动力学模拟程序的具体流程,主要包括: (1)设定和模拟相关的参数。 (2)模拟体系初始化。 (3)计算粒子间的作用力。 (4)求解运动方程。 (5)循环计算,待稳定后输出结果。 分子动力学模拟程序流程图如2.3所示。

分子动力学方法模拟基本步骤

分子动力学方法模拟基本步骤 1.第一步 即模型的设定，也就是势函数的选取。势函数的研究和物理系统上对物质的描述研究息息相关。最早是硬球势，即小于临界值时无穷大，大于等于临界值时为零。常用的是LJ势函数，还有EAM势函数，不同的物质状态描述用不同的势函数。 模型势函数一旦确定，就可以根据物理学规律求得模拟中的守恒量。 2 第二步 给定初始条件。运动方程的求解需要知道粒子的初始位置和速度，不同的算法要求不同的初始条件。如：verlet算法需要两组坐标来启动计算，一组零时刻的坐标，一组是前进一个时间步的坐标或者一组零时刻的速度值。 一般意思上讲系统的初始条件不可能知道，实际上也不需要精确选择代求系统的初始条件，因为模拟实践足够长时，系统就会忘掉初始条件。当然，合理的初始条件可以加快系统趋于平衡的时间和步伐，获得好的精度。 常用的初始条件可以选择为：令初始位置在差分划分网格的格子上，初始速度则从玻尔兹曼分布随机抽样得到；令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上，初始速度为零；令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上，初始速度也是从玻尔兹曼分布随机抽样得到。 第三步 趋于平衡计算。在边界条件和初始条件给定后就可以解运动方程，进行分子动力学模拟。但这样计算出的系统是不会具有所要求的系统的能量，并且这个状态本身也还不是一个平衡态。 为使得系统平衡，模拟中设计一个趋衡过程，即在这个过程中，我们增加或者从系统中移出能量，直到持续给出确定的能量值。我们称这时的系统已经达到平衡。这段达到平衡的时间成为驰豫时间。 分子动力学中，时间步长的大小选择十分重要，决定了模拟所需要的时间。为了减小误差，步长要小，但小了系统模拟的驰豫时间就长了。因此根据经验选择适当的步长。如，对一个具有几百个氩气Ar分子的体系，lj势函数，发现取h为0.01量级，可以得到很好的相图。这里选择的h是没有量纲的，实际上这样选择的h对应的时间在10-14s的量级呢。如果模拟1000步，系统达到平衡，驰豫时间只有10-11s。 第四步 宏观物理量的计算。实际计算宏观的物理量往往是在模拟的最后揭短进行的。它是沿相空间轨迹求平均来计算得到的（时间平均代替系综平均）

费曼对量子电动力学的贡献

费曼对量子电动力学的贡献 理查德·费曼（Feynman Richard Philips，1918～1988）是现代乃至有史以来最受爱戴的科学家之一，他对科学有着异乎寻常的“感觉”，能够用洞察事物内在本质的方式来理解物理学。他具有别具一格的思维风格，这种风格为科学研究注入了无与伦比的活力。他不仅在量子电动力学领域以最卓越的科学贡献赢得了诺贝尔物理学奖，维格纳（Wigner Eugene Paul，1902～1995）称他是“第二个狄拉克。”他生来具有十分可爱的品格和个性，不仅是极其卓越的理论家，而且是才华横溢的教师，并以极为罕见的天赋和热情进行物理教学。通过他那著名的《物理学讲演录》，来向世界展示一位顶尖科学大师的思维方式；正是他鼓励了好几代大学生从一种全新的角度去重新思考物理学。 2、1 费曼路径积分 1927年之前，量子力学的创立工作已基本完成，它已很好地说明了原子和分子的结构，但在处理原子中光的自发辐射和吸收这类十分重要 的现象时，却遇到了困难；为了克服这一困难，1927 年，狄拉克首先提出将电磁场作为一个具有无穷维 自由度的系统，进行二次量子化的方案；1928年约 尔丹和维格纳提出了对于非相对论性多电子系统符 合于这个要求的正则量子化形式。1929年海森伯和 泡利把电磁场与电子场的相互作用理论推广到更为 普遍的形式，从而建立了量子电动力学。 到20世纪30年代，人们对量子理论的理解既 不彻底也不完美，而且需要新的思想。费曼从在麻 图10-13为理查德·费曼在讲课省理工学院做学生以来一直被一个想法所困扰。即 一个诸如电子那样的带电粒子，被认为是通过围绕它的力场而与其他带电粒子相互作用的。量子理论的最大困难就在于计算出来的电子自身能量和电磁场真空能量为无穷大。在用量子理论的微扰方法处理一些物理过程时，最低次近似往往都可得到与实验一致的结果；但要求如果作更高次的精确微扰计算时，得到的结果却常常是无穷大；无穷大的结果当然是没有物理意义的，这就是量子场论的发散困难。1935年，狄拉克出版的《论量子物理学》的书中的说道：“看来这里需要全新的物理思想。”这句话成了费曼尔后生活的一个信条，没有任何地方对于新思想的需要比在这个称为电子“自能”的谜题中更为明显。这个想法在麻省理工学院就已经深深地在他头脑中扎根，随后在普林斯顿开花结果；并对在康奈尔大学时期的学术生涯产生意义深远的影响。 1940年秋的一天，费曼接到惠勒（Wheeler John Archibald，1911～）打来的电话；惠勒告诉他说：“他已知道为什么所有的电子都有相同的电荷和相同的质量。原因是它们都是同一个电子！”他解释了他最新的光辉思想：一个正电子可以被简单地看做一个电子在时间上往回运动，即由将来返回过去，而宇宙中所有的电子和所有的正电子其实都对应于某种被切开的世界线线结的截面，在某个截面里，单个粒子通过一个复杂的扭结穿越时空，通过宇宙。惠勒的光辉思想中包含了一个重要概念的萌芽，即改变某个电子在时间上的运动方向等价于改变它所带电荷的符号，费曼后来用另一种方式发展了这一概念，即一个电子在时间上向前运动就是一个正电子在时间上往回运动。这就是惠勒－费曼（Wheeler-Feynman）的辐射理论。1941年春天，惠勒要求费曼就这一问题做一次专门演讲，演讲的听众有物理学家维格纳，天文学家罗素（Russell），数学家冯·诺依曼（von Neumann），量子理论的先驱者泡利，

纳米晶带材简介

铁基纳米晶合金 一、简介： 铁基纳米晶合金是由铁元素为主，加入少量的Nb、Cu、Si、B元素所构成的合金经快速凝固工艺所形成的一种非晶态材料，这种非晶态材料经热处理后可获得直径为的，弥散分布在非晶态的基体上，被称为微晶、纳米晶材料或纳米晶材料。微晶直径10-20 nm, 适用频率范围50Hz-100kHz. 二、背景介绍： 1988年日本的Yoshizawa等人首先发现,在Fe-S-iB非晶合金的基体中加入少量Cu和 M(M=Nb,Ta,Mo,W等),经适当的温度晶化退火以后,可获得一种性能优异的具有bcc结构的超细晶粒(D约10nm)软磁合金。这时材料磁性能不仅不恶化,反而非常优良,这种非晶合金经过特殊的晶化退火而形成的晶态材料称为纳米晶合金。其典型成份为 Fe7315Cu1Nb3Si1315B9,牌号为Finemet。其后,Suzuki等人又开发出了Fe-M- B(M=Zr,Hf,Ta)系,即Nanoperm系。到目前为止,已经开发了许多纳米晶软磁材料,包括:Fe基、Co基、Ni基[2]。由于Co基和Ni基不易于形成K、Ks同时为零的非晶态或晶态合金,如果没有特殊情况,实用价值不大。 三、铁基纳米晶软磁合金的制备方法 纳米晶软磁合金的制备一般采用非晶晶化法。它是在用快淬法、雾化法、溅射法等制得非晶合金的基础上,对非晶合金在一定的条件下(等温、真空、横向或纵向磁场等)进行退火,得到含有一定颗粒大小和体积分数的纳米晶相。近年来,也有一些研究者采用高能球磨法制备纳米晶软磁合金。 四、纳米晶软磁合金的结构与性能 纳米晶软磁合金的典型成份为Fe7315Cu1Nb3Si1315B9。随着研究的不断进行,合金化元素几乎遍及整个元素周期表。从合金的化学成份在合金中的作用看,可以分为4类: (1). 铁磁性元素:Fe、Co、Ni。由于Fe基合金具有高Bs的优势,且纳米晶合金可以实现K和Ks同时为零,因而使L值很高、损耗很低,价格便宜,成为当今研究开发的中心课题。 (2). 非晶形成元素:主要有Si、B、P、C等。对于纳米晶软磁合金带材,一般都是先形成非晶带,然后通过退火使材料出现纳米晶,因而非晶化元素是基本元素。特别是B对形成非晶有利,成为几乎所有纳米晶软磁合金的构成元素,含量在5at%~15at%之间。Si也是

分子动力学模拟

分子动力学模拟 分子动力学就是一门结合物理,数学与化学的综合技术。分子动力学就是一套分子模拟方法,该方法主要就是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动,以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本,从而计算体系的构型积分,并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量与其她宏观性质。 这门技术的发展进程就是: 1980年:恒压条件下的动力学方法(Andersenの方法、Parrinello-Rahman法) 1983年:非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon) 1984年:恒温条件下的动力学方法(能势‐フーバーの方法) 1985年:第一原理分子动力学法(→カー?パリネロ法) 1991年:巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit)、 最新的巨正则系综,即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触,此时系统不仅同热源有能量交换,而且可以同粒子源有粒子的交换,最后达到平衡,这种系综称巨正则系综。 进行分子动力学模拟的第一步就是确定起始构型,一个能量较低的起始构型就是进行分子模拟的基础,一般分子的其实构型主要就是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度,这一速度就是根据玻尔兹曼分布随机生成,由于速度的分布符合玻尔兹曼统计,因此在这个阶段,体系的温度就是恒定的。另外,在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整,使得体系总体在各个方向上的动量之与为零,即保证体系没有平动位移。 由上一步确定的分子组建平衡相,在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。 进入生产相之后体系中的分子与分子中的原子开始根据初始速度运动,可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞,这时就根据牛顿力学与预先给定的粒子间相互作用势来对各个例子的运动轨迹进行计算,在这个过程中,体系总能量不变,但分子内部势能与动能不断相互转化,从而体系的温度也不断变化,在整个过程中,体系会遍历势能面上的各个点,计算的样本正就是在这个过程中抽取的。 用抽样所得体系的各个状态计算当时体系的势能,进而计算构型积分。 作用势的选择与动力学计算的关系极为密切,选择不同的作用势,体系的势能面会有不同的形状,动力学计算所得的分子运动与分子内部运动的轨迹也会不同,进而影响到抽样的结果与抽样结果的势能计算,在计算宏观体积与微观成分关系的时候主要采用刚球模型的二体势,计算系统能量,熵等关系时早期多采用Lennard-Jones、morse势等双体势模型,对于金属计算,主要采用morse势,但就是由于通过实验拟合的对势容易导致柯西关系,与实验不符,因此在后来的模拟中有人提出采用EAM等多体势模型,或者采用第一性原理计算结果通过一定的物理方法来拟合二体势函数。但就是对于二体势模型,多体势往往缺乏明确的表达式,参量很多,模拟收敛速度很慢,给应用带来很大困难,因此在一般应用中,通过第一性原理计算结果拟合势函数的L-J,morse等势模型的应用仍非常广泛。 分子动力学计算的基本思想就是赋予分子体系初始运动状态之后,利用分子的自然运动在相空间中抽取样本进行统计计算,时间步长就就是抽样的间隔,因而时间步长的选取对动力学模拟非常重要。太长的时间步长会造成分子间的激烈碰撞,体系数据溢出;太短的时间步长会降低模拟过程搜索相空间的能力,因此一般选取的时间步长为体系各个自由度中最短运动周期的十分之一。但就是通常情况下,体系各自由度中运动周期最短的就是各个化学键的振动,而这种运动对计算某些宏观性质并不产生影响,因此就产生了屏蔽分子内部振动或其她无关运动的约束动力学,约束动力学可以有效地增长分子动力学模拟时间步长,提高搜索相空间的能

关于卢柯课题组纳米材料的综述

关于卢柯课题组纳米材料的综述 摘要：本文对卢柯教授所在的纳米材料研究团队的主要成员、研究方向、所获奖项及研究成果等方面进行了总结。卢柯教授所在的纳米材料研究团队的研究方向之一为金属纳米材料的制备与加工，微观结构的表征，力学性能，物理性能，热稳定性，以及相变。 关键词：卢克课题组、微观结构表征、力学性能、物理性能、热稳定性、相变1、引言 卢柯教授所在的纳米研究团队的研究方向是金属纳米材料的制备与加工，微观结构的表征，力学性能，物理性能，热稳定性，以及相变。卢柯，生于1965年5月，九三学社社员。原籍河南汲县，生于甘肃华池。研究生学历，工学博士学位，著名材料科学专家，中国科学院院士，中国科学院金属研究所原所长、研究员，上海交通大学材料科学与工程学院院长。主要从事金属纳米材料及亚稳材料等研究。获国家专利6项，国际专利1项；多次在国际会议上作特邀报告；国际《材料科学与工程评论杂志》特邀为其撰写长篇综述论文并发表了专刊。在国际重要学术刊物上发表论文150余篇；2010年在Nature上发表了一篇关于金属的未来的一篇文章；并且在science上也发表了多篇文章，2003年，《科学》上发表了卢柯等人的一项最新科研成果：将铁表层的晶粒细化到纳米尺度，其氮化温度显著降低，从而为氮化处理更多种材料和器件提供了可能。这是卢柯科研小组取得的又一个突破性进展，被评为 2003 年中国十大科技进展之一。2004年，在《科学》杂志上发表了采用纳米尺寸的生长孪晶强化金属的新途径获得了同时具有超高强度和高导电性的铜。而按照以往的经验，对铜进行强化以后，会使其导电率有所下降。这一成果的创新性在于，把难以统一在一起的性能统一在了一起。2013年又在《科学》杂志上发表了在金属中发现超硬超高稳定性新型纳米层片结构。他杰出的研究工作已经使他获得了无数的奖项。其中包括：2013年入选“万人计划”杰出人才。 2011年荣获德国洪堡研究奖（Humboldt Research Award）；获国际亚稳及纳米材料年会金质奖章和青年科学家奖；第三世界科学院技术奖；国家自然科学奖三等奖；中国科学院自然科学奖一等奖、二等奖；中国科学院青年科技奖；全国劳动模范和先进工作者；何梁何利基金技术科学奖；香港求是基金会杰出青年学者奖等荣誉。身为中科院金属所所长的卢柯把他的工作描述成：我是个班长，领着团队在做事。卢柯认为，现在是中国各个领域发展

量子电动力学

量子电动力学 玻尔磁子 近似值 量子电动力学(Quantum Electrodynamics，英文简写为QED)是量子场论中最成熟的一个分支，它研究的对象是电磁相互作用的量子性质(即光子的发射和吸收)、带电粒子的产生和湮没、带电粒子间的散射、带电粒子与光子间的散射等等。它概括了原子物理、分子物理、固体物理、核物理和粒子物理各个领域中的电磁相互作用的基本原理。 公式 公式 各代表λ态上电子的湮没算符及μ态上电子的产生算符。两种不同的量子化方法促使泡利研究自旋统计关系。他发现自旋为整数的粒子(例如光子)服从玻色―爱因斯坦统计，在进行场的量子化时应该用对易关系;自旋为半整数的粒子(例如电子)服从费密―狄喇克统计，在进行场的量子化时应该用反对易关系。对电子场 ψ(它满足狄喇克方程)进行场量子化以后也得到场量子(电子和正电子)的粒子图像。量子化电磁场的极限就是经典电磁场(例如无线电波),在光子数目很大时,电磁场的性质就由经典的麦克斯韦方程组描述。量子化电子场ψ却没有类似的经典极限，因为在一个状态上最多只能存在一个电子。相应的"经典"场方程就是描述单个电子的狄喇克方程，它显然不是经典的。只有在对电子的描述可以粗略到ΔpΔq?时,湖南岳阳天气预报,狄喇克电子理论才归结为满足狭义相对论的经典力学方程。相互作用的量子化场根据量子场论的观点，粒子间的相互作用都是通过场与场的相互作用实现的。相互作用场的哈密顿量可以分为两部分H=H0+HI,H0是自由电磁场

与自由电子场的哈密顿量之和。它的本征态就是具有一定光子数与一定电子及正电子数的状态。HI代表电磁场与电子场的相互作用,它与(1) 理论值 简介量子场论发展中历史最长和最成熟的分支。简写为QED。它主要研究电磁场与带电粒子相互作用的基本过程。在原则上，它的原理概括原子物理、分子物理、固体物理、核物理及粒子物理各领域中的电磁相互作用过程。它研即光子的发射和吸收)、带电粒子(例如正负电子)究电磁相互作用的量子性质( 的产生和湮没以及带电粒子之间的散射、带电粒子与光子之间的散射等。从应用范围的广泛、基本假设的简单明确、与实验符合程度的高度精确等方面看，在现代物理学中是很突出的。发展过程1925年量子力学创立之后不久，P.A.M.狄喇克于1927年、W.K.海森伯和W.泡利于1929年相继提出了辐射的量子理论，奠定了量子电动力学的理论基础。在量子力学范围内，可以把带电粒子与电磁场相互作用当作微扰，来处理光的吸收和受激发射问题，但却不能处理光的自发射问题。因为如果把电磁场作为经典场看待，在发射光子以前根本不存在辐射场。原子中处于激发态的电子是量子力学中的定态，没有辐射场作为微扰，它就不会发生跃迁。自发射是确定存在的事实，为了解释这种现象并定量地给出它的发生几率，在量子力学中只能用变通的办法来处理。一个办法是利用对应原理,把原子中处于激发态的电子看成是许多谐振子的总和，把产生辐射的振荡电流认定与量子力学的某些跃迁矩阵元相对应，用以计算自发射的跃迁几率。从这个处理办法可以得到M.普朗克的辐射公式，以此反过来说明对应原理的处理是可行的。另外一种办法是利用A.爱因斯坦关于自发射几率和吸收几率间的关系。虽然这些办法所得的结果可以和实验结果符合，但在理论上究竟是与量子力学体系相矛盾的??量子力学的定态寿命为无限大。辐射场量子化狄喇克、海森伯和泡利对辐射场加以量子化。除了得到光的波粒二象性的明确表述以外，还解决了上述矛盾。电磁场在量子化以后,电场强度E

vasp做分子动力学

vasp做分子动力学的好处，由于vasp是近些年开发的比较成熟的软件，在做电子scf速度方面有较好的优势。 缺点：可选系综太少。 尽管如此，对于大多数有关分子动力学的任务还是可以胜任的。 主要使用的系综是NVT和NVE。 下面我将对主要参数进行介绍！ 一般做分子动力学的时候都需要较多原子，一般都超过100个。 当原子数多的时候，k点实际就需要较少了。有的时候用一个k点就行，不过这都需要严格的测试。通常超过200个原子的时候，用一个k点，即Gamma点就可以了。 INCAR： EDIFF 一般来说，用1E-4或者1E-5都可以，这个参数只是对第一个离子步的自洽影响大一些，对于长时间的分子动力学的模拟，精度小一点也无所谓，但不能太小。 IBRION=0 分子动力学模拟 IALGO=48 一般用48，对于原子数较多，这个优化方式较好。 NSW=1000 多少个时间步长。 POTIM=3 时间步长,单位fs,通常1到3. ISIF=2 计算外界的压力. NBLOCK= 1 多少个时间步长，写一次CONTCAR，CHG和CHGCAR，PCDAT. KBLOCK=50 NBLOCK*KBLOCK个步长写一次XDATCAR. ISMEAR=-1 费米迪拉克分布. SIGMA =0.05 单位:电子伏 NELMIN=8 一般用6到8,最小的电子scf数.太少的话,收敛的不好. LREAL=A APACO=10 径向分布函数距离,单位是埃. NPACO=200 径向分布函数插的点数. LCHARG=F 尽量不写电荷密度,否则CHG文件太大. TEBEG=300 初始温度. TEEND=300 终态温度。不设的话，等于TEBEG. SMASS -3 NVE ensemble；-1 用来做模拟退火；大于0 NVT 系综。 ///////////////////////////////////////////////////////////////////// ///////////////////////////////////////////////////////////////////// 1)收敛判据的选择 结构弛豫的判据一般有两种选择：能量和力。这两者是相关的，理想情况下，能量收敛到基态，力也应该是收敛到平衡态的。但是数值计算过程上的差异导致以二者为判据的收敛速度差异很大，力收敛速度绝大部分情况下都慢于能量收敛速度。这是因为力的计算是在能量的基础上进行的，能量对坐标的一阶导数得到力。计算量的增大和误差的传递导致力收敛慢。 到底是以能量为收敛判据，还是以力为收敛判据呢？关心能量的人，觉得以能量

量子电动力学简介

量子电动力学简介 量子场论发展中历史最长和最成熟的分支。简写为QED。它主要研究电磁场与带电粒子相互作用的基本过程。在原则上，它的原理概括原子物理、分子物理、固体物理、核物理及粒子物理各领域中的电磁相互作用过程。它研究电磁相互作用的量子性质(即光子的发射和吸收)、带电粒子（例如正负电子）的产生和湮没以及带电粒子之间的散射、带电粒子与光子之间的散射等。从应用范围的广泛、基本假设的简单明确、与实验符合程度的高度精确等方面看，在现代物理学中是很突出的。 内容量子电动力学认为，两个带电粒子（比如两个电子）是通过互相交换光子而相互作用的。这种交换可以有很多种不同的方式。最简单的，是其中一个电子发射出一个光子，另一个电子吸收这个光子。稍微复杂一点，一个电子发射出一个光子后，那光子又可以变成一对电子和正电子，这个正负电子对可以随后一起湮灭为光子，也可以由其中的那个正电子与原先的一个电子一起湮灭，使得结果看起来像是原先的电子运动到了新产生的那个电子的位置。更复杂的，产生出来的正负电子对还可以进一步发射光子，光子可以在变成正负电子对……而所有这些复杂的过程，最终表现为两个电子之间的相互作用。量子电动力学的计算表明，不同复杂程度的交换方式，对最终

作用的贡献是不一样的。它们的贡献随着过程中光子的吸收或发射次数呈指数式下降，而这个指数的底，正好就是精细结构常数。或者说，在量子电动力学中，任何电磁现象都可以用精细结构常数的幂级数来表达。这样一来，精细结构常数就具有了全新的含义：它是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量，或者说，它就是电磁相互作用的强度。 发展过程1925年量子力学创立之后不久，P.A.M.狄喇克于1927年、W.K.海森伯和W.泡利于1929年相继提出了辐射的量子理论，奠定了量子电动力学的理论基础。在量子力学范围内，可以把带电粒子与电磁场相互作用当作微扰，来处理光的吸收和受激发射问题，但却不能处理光的自发射问题。因为如果把电磁场作为经典场看待，在发射光子以前根本不存在辐射场。原子中处于激发态的电子是量子力学中的定态，没有辐射场作为微扰，它就不会发生跃迁。自发射是确定存在的事实，为了解释这种现象并定量地给出它的发生几率，在量子力学中只能用变通的办法来处理。一个办法是利用对应原理,把原子中处于激发态的电子看成是许多谐振子的总和，把产生辐射的振荡电流认定与量子力学的某些跃迁矩阵元相对应，用以计算自发射的跃迁几率。从这个处理办法可以得到M.普朗克的辐射公式，以此反过来说明对应原理的处理是可行的。另外一种办法是利用A.爱因斯坦关于自发射几率和吸收几率间的关系。虽然这些办法所得的结果可以和实验结果符合，但在理论上究竟是与量子力学体系相矛盾的──量子力学的定态寿命为无限大。

表面纳米化对金属材料耐磨性的影响

东华大学研究生课程论文封面 教师填写： 得分任课教师签名 学生填写： 姓名学号 专业导师 课程名称 任课教师课程学分 上课时间20 至20 学年第学期星期 递交时间年月日 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：

表面纳米化对金属材料耐磨性的影响 摘要：材料的磨损起源于表面,金属材料的摩擦磨损性能与表面结构密切相关。利 用表面纳米化技术可以在金属材料的表面制备出一定厚度的纳米结构表层,从而大 大提高金属的耐磨性。结合国内外学者的研究报道,综述了表面纳米化在金属耐磨 性方面的影响,讨论了表面纳米化方法与机理以及表面纳米化影响耐磨性的因素, 简述了应用表面纳米化技术改善各种金属材料耐磨性的研究和实用成果,最后进行 了总结和展望。 关键词：表面纳米化；金属材料；耐磨性 Influence of Surface Nanocrystallization on Wear Resistance of Metallic Materials Abstract:Wearing stems from surface of material, the friction and wear properties of metallic materials are closely related to their surface structure. Nanostructured layer with a certain thickness can be produced by means of surface nanocrystallization technology on surface of metallic materials to enhance their wear resistance distinctly. With the research work of scholars, an overview of the influence of surface nanocrystallization on wear resistance of metallic materials is given. The methods, principle and factors influencing wear property of surface nanocrystallization are dis2 cussed, the research achievements and applying results are illustrated, and the summary and prospect are presented at last. Key words: surface nanocrystallization; metallic materials; wear resistance 1、引言 结构材料中许多失效(如磨损、疲劳等)均与材料表面结构和性能密切相关。在大多数服役环境下，材料的失稳多始于表面，如果能在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，就可以通过表面组织和性能的优化来提高材料的整体性能和服役行为[1]。基于此，20世纪末中科院金属所卢柯研究组提出了“表面纳米化”(Surface nanocrystallization)的概念，该项技术既

分子动力学模拟

分子动力学模拟 The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020

分子动力学模拟 分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。 这门技术的发展进程是： 1980年：恒压条件下的动力学方法（Andersenの方法、Parrinello-Rahman法）1983年：非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon) 1984年：恒温条件下的动力学方法（能势‐フーバーの方法） 1985年：第一原理分子动力学法（→カー?パリネロ法） 1991年：巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit). 最新的巨正则系综，即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触，此时系统不仅同热源有能量交换，而且可以同粒子源有粒子的交换，最后达到平衡，这种系综称巨正则系综。 进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型，一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础，一般分子的其实构型主要是来自实验数据或量子化学计算。在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据玻尔兹曼分布随机生成，由于速度的分布符合玻尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。另外，在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移。由上一步确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。

金属材料表面摩擦层研究

金属材料表面摩擦层研究 摩擦、磨损造成了能源的消耗与材料的失效，减小摩擦、降低磨损将 产生巨大的经济效益。摩擦学的研究对象、表征尺度正在由基体材料 过渡到摩擦界面、微纳米尺度甚至原子尺度。在２０１１年世界材料 磨损大会上，已经有学者指出摩擦界面的研究将是未来若干年材料摩 擦学研究的重点。观测摩擦表面层的组织结构和摩擦表面的形貌变化 具有重要意义。通过对材料摩擦表面成分、组织、形貌的研究，有助 于揭示材料的摩擦磨损机理，揭示材料摩擦的本源。 １摩擦层 １．１摩擦层概念材料摩擦过程中，因为正应力、切向力及摩擦生热 的交互作用，摩擦表面会发生一系列物理和化学变化，引起摩擦表面 元素分布发生改变、表面材料发生塑性变形、材料形成转移和氧化等，从而形成一层成分不同于基体材料的表面层。ＧＯＤＥＴ［６］在其 研究中首次将磨损过程中形成的新表面层定义为“第三体”。第三体 也可称为摩擦层（膜）、转移层（膜）、机械混合层等。至此，越来 越多的研究人员认可摩擦层的重要性并对其展开积极的研究。从材料 的角度来说，第三体能够定义为位于摩擦副之间的一个实体层，其组 成与摩擦副的材料有很大差异。从运动学角度能够将其描述为速度适 合层，作用是调节对偶之间的速度差异，使其趋于一致。作者认为， 摩擦层在材料摩擦表面自然形成，包括摩擦接触界面之间的磨屑层， 基体接触表面的转移层、物理化学反应层及接触表面下的塑性变形层，如图１所示。 １．２摩擦层的作用摩擦过程中，从基体上直接脱落下来的磨粒尺寸 一般在纳米数量级，它们积聚在一起能够形成数微米厚的薄层，如图 ２所示。铁轨表面层状的摩擦层厚度达１５μｍ，它与基体间处于良 好的结合状态。摩擦层在滑动磨损过程中具有流变性，在不同时期表 现出不同的形貌特征。摩擦层主要有３方面的作用。１）隔离作用摩 擦层存有于摩擦接触界面，避免了配副材料表面的直接接触和相互作

ADF教程：温度与量子化学、分子动力学的关系

ADF教程：温度与量子化学、分子 动力学的关系 温度的本质，是分子、原子的内部振动的动能，以及整体的平移运动的动能。温度越高，振动越剧烈，平移运动的速度也越快。当然有平移的运动，就有分子间的撞击，这种撞击，既改变两个分子的平移运动的速度，也改变两个分子内部振动。正是通过这种方式，实现气体和液体分子的热传导，达到热平衡，也就是在统计上，每个分子的内部振动的动能，以及整体的平移运动的动能大致差不多——更详细的，则是动能的大小几率，按照玻尔兹曼函数分布。真正理解温度，可能需要一定的物理基础，但笼统而言，清楚如下的事实即可： ?键能，是一个与温度无关的量，无论温度为多少，只要分子结构是一样的，键能就是一样的。但温度越高，内部振动也越剧烈，可以认为如果剧烈到一定程度，振动的动能能够与键能相当的时候，就有可能引起断裂——但应该记住，键能只与瞬间的分子构型有关，和原子的运动速度没有关系，也就是和温度没有关系。 ?能垒，也是一个与温度无关的量，一个化学反应，不管温度为多少，只要走的是同一个反应通道，能垒都是一样的。当然，不同的温度，也就有了不同的动能，这些动能，能够帮助分子越过能垒，因此使得反应更容易——但这绝不是指温度升高导致能垒降低！ ?激发态、激发能，原理上也与温度无关。也只与瞬间的分子结构有关。 但不同温度下，分子的平衡结构有一定的变化，甚至会停留在不同的亚稳态结构，这就导致出现了温度影响了激发态的假象。 ?分子的振动，计算振动的原理也非常简单，也就是在平衡位置（能量最低点）对结构进行微小改变，这样得到能量与结构的变化趋势，也就是得到能量与键长键角的关系（一阶梯度、二阶梯度，其中二阶梯度就是力），当然也可以用解析的方式，通过公式推导得到能量的梯度，梯度得到之后，就得到振动谱。需要注意的是，这个计算过程，和温度没有任何关系。而温度的本质，无非就是温度越高，振幅越大，振动能量越大而已，反过来说，振动越剧烈，导致所谓的温度越高。因此可以计算不同温度下的热力学性质，这些热力学性质，实际上就是在不同温度下，振动的剧烈程度。简而言之，振

分子动力学模拟基础知识

分子动力学模拟基础知识 ? Molecular Dynamics Simulation o MD: Theoretical Background Newtonian Mechanics and Numerical Integration The Liouville Operator Formalism to Generating MD Integration Schemes o Case Study 1: An MD Code for the Lennard-Jones Fluid Introduction The Code, mdlj.c o Case Study 2: Static Properties of the Lennard-Jones Fluid (Case Study 4 in F&S) o Case Study 3: Dynamical Properties: The Self-Diffusion Coefficient ? Ensembles o Molecular Dynamics at Constant Temperature Velocity Scaling: Isokinetics and the Berendsen Thermostat Stochastic NVT Thermostats: Andersen, Langevin, and Dissipative Particle Dynamics The Nosé-Hoover Chain Molecular Dynamics at Constant Pressure: The Berendsen Barostat Molecular Dynamics Simulation We saw that the Metropolis Monte Carlo simulation technique generates a sequence of states with appropriate probabilities for computing ensemble averages (Eq. 1). Generating states probabilitistically is not the only way to explore phase space. The idea behind the Molecular Dynamics (MD) technique is that we can observe our dynamical system explore phase space by solving all particle equations of motion . We treat the particles as classical objects that, at least at this stage of the course, obey Newtonian mechanics. Not only does this in principle provide us with a properly weighted sequence of states over which we can compute ensemble averages, it additionally gives us time-resolved information, something that Metropolis Monte Carlo cannot provide. The ``ensemble averages'' computed in traditional MD simulations are in practice time averages : (99) The ergodic hypothesis partially requires that the measurement time, , i , in the system. The price we pay for this extra information is that we must at least access if not store particle velocities in addition to positions, and we must compute interparticle forces in addition to potential energy. We will introduce and explore MD in this section.