基于分子動力學的鋁基準晶結構熱學與力學性能深度剖析1.緒論1.1準晶的起源與發(fā)展準晶的發(fā)現(xiàn)宛如一顆投入科學湖面的巨石，激起層層波瀾，徹底改寫了人們對固體物質結構的認知。在傳統(tǒng)的認知里，固態(tài)金屬僅分為晶態(tài)與非晶態(tài)這兩大類別。晶態(tài)金屬的原子呈現(xiàn)出長程有序排列，并且依據(jù)平移對稱的要求，其晶格結構中不可能出現(xiàn)5次和7次以上的旋轉對稱，這就像是構建晶體大廈的“底層規(guī)則”，限定了晶體的基本模樣。而非晶態(tài)金屬的原子排列則是長程無序的，就像雜亂堆放的積木，其結構無法用任何周期點陣來精準描述。1982年4月8日，以色列科學家DanShechtman在美國工業(yè)技術標準局（NIST）實驗室進行“衍射光柵”實驗時，讓電子通過鋁錳合金進行衍射，結果在電子顯微鏡下觀察到一種前所未有的“反?！爆F(xiàn)象：一系列由十個等距亮點組成的同心圓，這意味著一種極不可能的對稱性——十重對稱。在當時，這一發(fā)現(xiàn)猶如晴天霹靂，沖擊著傳統(tǒng)晶體學的認知，因為按照當時的理論，晶體內原子排列的對稱性是被嚴格限定的，這種十重對稱結構被認為是自然界中不可能存在的。在經(jīng)歷了自我懷疑和來自同行的諸多質疑后，Shechtman并未放棄。1984年，他終于在《物理評論快報》發(fā)表了實驗數(shù)據(jù)，向物質結構的基本教條發(fā)起挑戰(zhàn)，論文標題為“具有長程取向序但無平移對稱性的金屬相”，文中報道該衍射圖中5次對稱軸和3次及2次軸一起形成二十面體點群對稱性。這篇論文的發(fā)表，正式拉開了準晶研究的大幕，吸引了全球眾多科學家投身到這個全新領域的探索中。幾乎與此同時，中國的郭可信等研究人員于1984年夏在鈦-鎳（Ti-Ni）合金體系電子衍射圖中也發(fā)現(xiàn)了具有5次對稱軸的衍射圖像，并于1985年發(fā)表相關論文。隨后，更多具有8次、10次、12次對稱的準晶結構陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)不斷豐富著準晶的“家族成員”，也讓人們對這種新型材料的認識愈發(fā)深入。2009年，科學家們在俄羅斯東部哈泰爾卡湖獲取的礦物樣本中發(fā)現(xiàn)了天然準晶體的“芳蹤”，這種名為icosahedrite（取自正二十面體）的新礦物質由鋁、銅和鐵組成，這一發(fā)現(xiàn)讓準晶從實驗室走向了自然界，進一步證實了準晶在宇宙中的真實存在。瑞典一家公司也在一種耐用性很強的鋼中發(fā)現(xiàn)了準晶體，這種鋼被用于剃須刀片和眼科手術用的手術針中，展現(xiàn)了準晶潛在的實用價值。2011年，瑞典皇家科學院將諾貝爾化學獎授予DanShechtman，以表彰他“發(fā)現(xiàn)了準晶”這一突出貢獻。這一獎項不僅是對Shechtman個人的肯定，更是標志著準晶的發(fā)現(xiàn)得到了科學界的廣泛認可，成為20世紀80年代晶體學研究中的一次重大突破，開啟了晶體學研究的全新篇章。從那以后，準晶研究在全球范圍內蓬勃發(fā)展，科學家們不斷深入探索準晶的結構、性質及其潛在應用，試圖揭開這種神秘材料更多的奧秘。1.2鋁基準晶的分類、結構與應用鋁基準晶作為準晶材料中的重要一員，以其獨特的原子排列結構和性能優(yōu)勢，在眾多領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。鋁基準晶的分類方式豐富多樣，依據(jù)其對稱性特征，可劃分為二十面體準晶、十次準晶、八次準晶和十二次準晶等不同類型。其中，二十面體準晶具有二十面體點群對稱性，包含與周期性不相容的五重旋轉軸對稱，是鋁基準晶中較為典型的一類；十次準晶則具有十重旋轉對稱軸，其原子排列呈現(xiàn)出獨特的周期性和對稱性規(guī)律。從原子排列結構來看，鋁基準晶中的原子以一種非周期性但有序的方式排列。以二十面體準晶為例，其結構中存在著由多個原子組成的二十面體原子團簇，這些團簇通過特定的連接方式相互連接，形成長程取向有序的結構。在二十面體原子團簇內部，原子之間的距離和角度遵循著特定的規(guī)律，且團簇之間的連接方式也具有高度的規(guī)律性，使得整個準晶結構在長程范圍內保持有序。這種有序排列方式不同于晶體的周期性平移對稱，也不同于非晶的完全無序排列，是鋁基準晶獨特性能的結構基礎。在應用領域，鋁基準晶憑借其優(yōu)異的性能特點，在多個行業(yè)發(fā)揮著重要作用。在航空航天領域，由于航空航天器對材料的輕量化和高強度要求極高，鋁基準晶因其低密度和高比強度的特性，成為制造航空航天零部件的理想材料。例如，在飛機發(fā)動機的某些部件制造中，使用鋁基準晶材料可以有效減輕部件重量，提高發(fā)動機的燃油效率和性能。在電子信息領域，鋁基準晶的特殊電學性能使其在電子器件制造中具有潛在應用價值。部分鋁基準晶材料具有較高的電阻率和獨特的電子結構，有望用于制造新型電子元件，如電阻器、傳感器等。在汽車制造領域，鋁基準晶可用于制造發(fā)動機缸體、輪轂等部件，利用其高強度和耐磨性，提高汽車零部件的使用壽命和性能。1.3研究現(xiàn)狀綜述自準晶被發(fā)現(xiàn)以來，鋁基準晶的熱學與力學性能研究逐漸成為材料科學領域的熱點，眾多科研工作者從不同角度展開探索，取得了一系列有價值的成果。在熱學性能研究方面，科學家們對鋁基準晶的比熱、熱膨脹系數(shù)、熱導率等參數(shù)進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，鋁基準晶的比熱在低溫下呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)晶體不同的變化規(guī)律，其值低于相同成分的晶體合金，這表明鋁基準晶中原子的振動模式和能量分布具有獨特性。在熱膨脹系數(shù)研究中，一些鋁基準晶在特定溫度范圍內表現(xiàn)出異常的熱膨脹行為，例如某些二十面體鋁基準晶在一定溫度區(qū)間內熱膨脹系數(shù)幾乎為零，這種低熱膨脹特性在精密儀器制造等領域具有潛在應用價值。熱導率方面，鋁基準晶的熱導率相對較低，這歸因于其復雜的原子結構和準周期排列對聲子散射的增強作用。在力學性能研究領域，科研人員圍繞鋁基準晶的硬度、彈性模量、拉伸性能、斷裂韌性等性能展開研究。硬度測試結果顯示，鋁基準晶的硬度普遍高于傳統(tǒng)鋁合金，這源于其特殊的原子排列結構使得位錯運動更加困難。彈性模量方面，鋁基準晶的彈性模量與晶體結構密切相關，不同類型的鋁基準晶彈性模量存在一定差異。拉伸試驗表明，鋁基準晶在拉伸過程中表現(xiàn)出較低的塑性，容易發(fā)生脆性斷裂，這限制了其在一些對塑性要求較高的結構件中的應用。為了改善鋁基準晶的力學性能，研究人員嘗試通過合金化、熱處理等方法進行調控。例如，在鋁基準晶中添加適量的合金元素，可以細化晶粒，提高材料的強度和塑性；通過合適的熱處理工藝，如退火處理，可以消除材料內部的殘余應力，改善其組織結構，從而提高材料的綜合力學性能。盡管鋁基準晶熱學與力學性能研究取得了上述進展，但仍存在一些不足之處和待解決的問題。在熱學性能研究中，對于鋁基準晶在極端溫度條件下（如高溫高壓、極低溫）的熱學性能變化規(guī)律以及微觀機制，目前的研究還不夠深入，相關實驗數(shù)據(jù)和理論模型有待進一步完善。在力學性能方面，雖然已經(jīng)開展了大量研究，但對于如何在提高鋁基準晶強度的同時顯著改善其塑性和韌性，尚未找到有效的解決方案。此外，目前對鋁基準晶性能的研究大多基于實驗室條件下制備的小尺寸樣品，而對于實際工程應用中大規(guī)模制備的鋁基準晶材料，其性能的穩(wěn)定性和一致性還缺乏系統(tǒng)研究。1.4研究目的、意義與方法本研究旨在通過分子動力學方法，深入探究鋁基準晶的熱學與力學性能，揭示其性能與原子結構之間的內在聯(lián)系，為鋁基準晶材料的進一步開發(fā)和應用提供堅實的理論依據(jù)。從理論意義層面來看，鋁基準晶獨特的原子排列結構使其熱學與力學性能的研究成為豐富材料科學理論體系的關鍵環(huán)節(jié)。通過分子動力學模擬，能夠在原子尺度上清晰解析鋁基準晶在不同條件下的原子運動軌跡、能量傳遞機制以及原子間相互作用變化，從而深入揭示其熱學與力學性能的微觀本質。這不僅有助于完善準晶材料的理論體系，還為研究其他具有復雜結構材料的性能提供了全新的視角和方法，推動材料科學理論向更深層次發(fā)展。在實際應用意義方面，隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，航空航天、電子信息、汽車制造等領域對高性能材料的需求與日俱增。鋁基準晶憑借其低密度、高硬度、良好的耐磨性和耐腐蝕性等優(yōu)勢，在這些領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。深入研究其熱學與力學性能，能夠為其在實際工程中的應用提供精確的性能數(shù)據(jù)和可靠的理論指導。例如，在航空航天領域，掌握鋁基準晶在高溫、高壓等極端條件下的熱學與力學性能，有助于設計和制造出更加輕量化、高強度、耐高溫的航空航天零部件，提高飛行器的性能和安全性；在電子信息領域，了解鋁基準晶的電學性能與熱學性能之間的關系，能夠為開發(fā)新型電子元件和散熱材料提供有力支持，推動電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本研究擬采用分子動力學模擬方法，結合結構分析技術，對鋁基準晶的熱學與力學性能展開全面研究。具體而言，在分子動力學模擬過程中，選用合適的原子間相互作用勢函數(shù)來準確描述鋁基準晶中原子間的相互作用。通過構建不同類型的鋁基準晶模型，在不同的溫度、壓力等條件下進行模擬計算，獲取體系的能量、原子位移、速度等信息。運用正則系綜（NVT）和等溫等壓系綜（NPT）等方法，模擬鋁基準晶在不同熱力學環(huán)境下的狀態(tài)變化。利用有限差分方法求解運動方程，精確計算原子的運動軌跡。采用速度標度法、Nose-Hoover鏈法等調溫方法，確保模擬體系溫度的穩(wěn)定性。在結構分析方面，運用徑向分布函數(shù)、原子對分析技術、鍵序參數(shù)方法等，深入分析鋁基準晶的原子結構特征及其在熱學與力學過程中的變化規(guī)律，從而全面揭示鋁基準晶熱學與力學性能的微觀機制。2.分子動力學模擬基礎2.1分子動力學基本原理分子動力學作為一種強大的計算模擬方法，在材料科學、化學、生物學等眾多領域發(fā)揮著關鍵作用，其基本原理基于經(jīng)典力學，為我們從原子尺度洞察物質的微觀結構和動態(tài)行為提供了有力工具。在分子動力學模擬中，將所研究的體系視為由大量原子或分子構成的集合，這些原子或分子在相互作用力的驅動下進行運動。其核心在于依據(jù)牛頓運動定律來描述原子的運動軌跡。對于體系中的每個原子i，其運動方程可表示為F_{i}=m_{i}a_{i}，其中F_{i}是作用在原子i上的合力，m_{i}為原子i的質量，a_{i}是原子i的加速度。這里的合力F_{i}涵蓋了原子間的各種相互作用力，如化學鍵力、范德華力、庫侖力等，這些相互作用力通過特定的勢能函數(shù)進行描述。原子間的相互作用勢能函數(shù)是分子動力學模擬的關鍵要素之一，它決定了原子間相互作用的強弱和性質。常見的勢能函數(shù)包括Lennard-Jones勢、Morse勢、EAM（Embedded-AtomMethod）勢等。以Lennard-Jones勢為例，它主要用于描述中性原子或分子間的非鍵相互作用，其表達式為U(r)=4\epsilon[(\frac{\sigma}{r})^{12}-(\frac{\sigma}{r})^{6}]，其中r是兩個原子間的距離，\epsilon表示勢能阱的深度，體現(xiàn)了原子間相互作用的強度，\sigma是當勢能為零時兩個原子間的距離，反映了原子的大小。當兩個原子距離較遠時，(\frac{\sigma}{r})^{12}和(\frac{\sigma}{r})^{6}的值都很小，原子間主要表現(xiàn)為微弱的吸引作用；隨著原子距離逐漸減小，(\frac{\sigma}{r})^{12}項增長速度遠快于(\frac{\sigma}{r})^{6}項，排斥作用迅速增強，以阻止原子過度靠近。Morse勢則常用于描述雙原子分子中原子間的相互作用，其表達式為U(r)=D_{e}(e^{-2\alpha(r-r_{e})}-2e^{-\alpha(r-r_{e})})，其中D_{e}是分子的解離能，\alpha決定了勢能曲線的形狀和曲率，r_{e}是平衡鍵長。EAM勢主要用于描述金屬體系中原子間的相互作用，它考慮了原子的電子云分布對相互作用的影響，能夠更準確地反映金屬原子間的復雜相互作用。在實際模擬過程中，通過求解運動方程來獲取原子在不同時刻的位置、速度和加速度等信息。由于原子數(shù)量眾多且相互作用復雜，通常采用數(shù)值積分方法來求解運動方程，常見的數(shù)值積分算法有Verlet算法、Velocity-Verlet算法、Beeman算法等。以Verlet算法為例，其基本思想是通過當前時刻和前一時刻原子的位置來近似計算下一時刻原子的位置。假設在t時刻原子的位置為r_{i}(t)，速度為v_{i}(t)，加速度為a_{i}(t)，根據(jù)牛頓第二定律F_{i}(t)=m_{i}a_{i}(t)計算出加速度，然后利用Verlet算法公式r_{i}(t+\Deltat)=2r_{i}(t)-r_{i}(t-\Deltat)+a_{i}(t)\Deltat^{2}計算下一時刻t+\Deltat的位置，其中\(zhòng)Deltat是時間步長，它的選擇對模擬的準確性和效率至關重要。如果時間步長過大，可能會導致模擬結果不穩(wěn)定，無法準確捕捉原子的運動細節(jié)；時間步長過小，則會增加計算量，延長模擬時間。一般來說，對于原子尺度的模擬，時間步長通常設置在飛秒（10^{-15}秒）量級。通過不斷迭代求解運動方程，模擬原子在一段時間內的運動軌跡，進而獲取體系的各種性質。在模擬過程中，還需要考慮體系的初始條件，如原子的初始位置和速度等。初始位置可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)或理論模型進行設定，初始速度則通常按照一定的統(tǒng)計分布（如Maxwell-Boltzmann分布）進行隨機分配，以保證體系在初始狀態(tài)下具有合理的能量分布。同時，為了模擬真實體系的行為，還需要設置合適的邊界條件，如周期性邊界條件、固定邊界條件等。周期性邊界條件是將模擬區(qū)域視為一個無限大的體系中的一部分，當原子離開模擬區(qū)域的一側時，會從另一側重新進入，從而避免邊界效應的影響，使模擬結果更接近真實體系。2.2模擬中的關鍵要素2.2.1原子間相互作用勢原子間相互作用勢在分子動力學模擬中扮演著核心角色，其精準度直接關乎模擬結果的可靠性。對于鋁基準晶體系而言，嵌入原子法（EAM）勢函數(shù)是描述原子間復雜相互作用的有力工具。EAM勢函數(shù)由Daw和Baskes于1984年提出，其獨特之處在于考慮了金屬體系中電子云分布對原子間相互作用的影響，能夠更真實地反映鋁基準晶中原子的行為。在EAM勢函數(shù)中，體系的總能量由兩部分構成。一部分是每個原子嵌入到周圍電子云中所具有的嵌入能，這部分能量體現(xiàn)了原子與周圍電子環(huán)境的相互作用。以鋁原子為例，其嵌入能與周圍鋁原子的電子云密度密切相關，當周圍鋁原子分布較為緊密時，電子云密度增大，鋁原子的嵌入能也會相應改變。另一部分是原子間的對勢，用于描述兩個原子之間的直接相互作用。這種對勢并非簡單的兩體相互作用，而是綜合考慮了原子周圍電子環(huán)境的影響。例如，在鋁基準晶中，不同原子位置的電子云分布存在差異，導致原子間的對勢也有所不同。通過將嵌入能和對勢相結合，EAM勢函數(shù)能夠全面且準確地描述鋁基準晶體系中原子間的復雜相互作用。與其他勢函數(shù)相比，EAM勢函數(shù)在描述金屬體系時具有顯著優(yōu)勢。Lennard-Jones勢函數(shù)主要適用于描述中性原子或分子間的非鍵相互作用，對于金屬體系中原子間復雜的電子云相互作用難以準確刻畫。Morse勢函數(shù)常用于描述雙原子分子中原子間的相互作用，在處理多原子的鋁基準晶體系時，其局限性較為明顯。而EAM勢函數(shù)通過考慮電子云分布的影響，能夠更好地反映鋁基準晶中原子間的成鍵特性、原子的擴散行為以及晶體結構的穩(wěn)定性等。在研究鋁基準晶的熱膨脹特性時，EAM勢函數(shù)可以準確地模擬出原子在溫度變化下的位移和相互作用變化，從而得到與實驗結果較為吻合的熱膨脹系數(shù)。2.2.2系綜選擇系綜作為統(tǒng)計力學中的重要概念，在分子動力學模擬中對體系的熱力學狀態(tài)進行了有效定義和約束，不同系綜具有各自獨特的特點和適用場景。正則系綜（NVT），其中N代表粒子數(shù)固定，V表示體系體積不變，T意味著體系溫度恒定。在NVT系綜中，體系與外界不存在粒子交換和體積功的交換，僅存在能量的交換以維持溫度的恒定。這種系綜適用于模擬在恒溫、恒容條件下的物理過程，如研究鋁基準晶在封閉容器中受熱時的熱運動和熱力學性質。當模擬鋁基準晶在某一恒定溫度下的結構弛豫過程時，NVT系綜能夠確保體系的溫度穩(wěn)定，使原子在固定的體積內進行熱振動和結構調整，從而準確地觀察到鋁基準晶結構隨時間的變化規(guī)律。等溫等壓系綜（NPT），N表示粒子數(shù)不變，P代表體系壓力恒定，T同樣表示溫度恒定。在NPT系綜中，體系不僅與外界進行能量交換以保持溫度恒定，還可以通過調整體積來維持壓力的穩(wěn)定。這使得NPT系綜更符合許多實際實驗條件，因為在實際情況中，材料往往處于一定的壓力環(huán)境下。對于研究鋁基準晶在不同壓力下的力學性能和相變行為，NPT系綜是較為合適的選擇。在模擬鋁基準晶在高壓環(huán)境下的壓縮過程時，NPT系綜能夠根據(jù)壓力的設定自動調整體系的體積，同時保持溫度不變，從而清晰地展現(xiàn)出鋁基準晶在壓力作用下的結構變化和力學響應。系綜的選擇對模擬結果有著至關重要的影響。不同系綜下體系的微觀狀態(tài)和宏觀性質會有所差異。在NVT系綜中，由于體積固定，體系的壓力可能會隨著原子的運動和相互作用而發(fā)生變化，這對于研究與壓力相關性較小的熱學性質較為有利。而在NPT系綜中，壓力的恒定可能會導致體系體積的變化，進而影響原子間的距離和相互作用，這對于研究材料在壓力作用下的結構和力學性能變化具有重要意義。如果在研究鋁基準晶的彈性模量時選擇了不恰當?shù)南稻C，可能會導致模擬得到的彈性模量與實際值存在較大偏差。若使用NVT系綜來模擬鋁基準晶在壓力變化下的彈性模量，由于無法考慮體積隨壓力的變化，得到的彈性模量可能無法準確反映材料在實際壓力環(huán)境下的力學特性。2.2.3時間積分算法時間積分算法是分子動力學模擬中求解原子運動方程的關鍵手段，其精度和效率直接影響模擬的準確性和計算成本。Verlet算法作為一種常用的時間積分算法，在分子動力學模擬中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。Verlet算法的基本步驟基于原子運動的離散化處理。假設在t時刻原子的位置為r_{i}(t)，速度為v_{i}(t)，加速度為a_{i}(t)。根據(jù)牛頓第二定律F_{i}(t)=m_{i}a_{i}(t)，首先計算出t時刻原子所受的合力F_{i}(t)，進而得到加速度a_{i}(t)。然后，利用Verlet算法公式r_{i}(t+\Deltat)=2r_{i}(t)-r_{i}(t-\Deltat)+a_{i}(t)\Deltat^{2}計算下一時刻t+\Deltat的位置，其中\(zhòng)Deltat是時間步長。在實際計算中，為了提高計算效率和精度，通常還會對速度進行更新?？梢酝ㄟ^位置的變化來近似計算速度，即v_{i}(t+\frac{\Deltat}{2})=\frac{r_{i}(t+\Deltat)-r_{i}(t)}{\Deltat}，這樣得到的是半個時間步長后的速度。再根據(jù)這個速度和加速度，可以進一步得到t+\Deltat時刻更準確的速度v_{i}(t+\Deltat)=v_{i}(t+\frac{\Deltat}{2})+\frac{1}{2}a_{i}(t+\Deltat)\Deltat。Verlet算法具有諸多優(yōu)勢。它是一種二階精度的算法，在計算原子位置和速度時，能夠有效地控制數(shù)值誤差的積累，使得模擬結果更加準確可靠。該算法在計算過程中不需要直接計算速度，而是通過位置的遞推關系間接得到速度，這減少了計算量，提高了計算效率。在模擬包含大量原子的鋁基準晶體系時，計算效率的提升尤為顯著。Verlet算法具有良好的數(shù)值穩(wěn)定性，能夠在長時間的模擬過程中保持計算結果的可靠性。這對于研究鋁基準晶在復雜條件下的長時間演化過程至關重要，例如在模擬鋁基準晶在高溫下的長時間退火過程時，Verlet算法能夠穩(wěn)定地計算原子的運動軌跡，準確地反映出鋁基準晶結構的變化。2.3模擬結果分析方法2.3.1結構分析技術徑向分布函數(shù)（RDF）是深入剖析鋁基準晶原子分布狀況的有力工具。其基本原理是，以體系中的某個原子為中心，統(tǒng)計距離該中心原子r處單位體積內的原子數(shù)，并將其與均勻分布時的原子數(shù)進行對比。RDF的數(shù)學表達式為g(r)=\frac{\rho(r)}{\rho_0}，其中\(zhòng)rho(r)表示距離中心原子r處的原子數(shù)密度，\rho_0為體系的平均原子數(shù)密度。當g(r)=1時，表明原子在該距離處呈均勻分布；若g(r)\gt1，意味著原子在該距離處出現(xiàn)的概率高于均勻分布時的概率，存在原子聚集現(xiàn)象；而當g(r)\lt1，則表示原子在該距離處出現(xiàn)的概率較低。在鋁基準晶體系中，通過計算RDF能夠獲取豐富的原子分布信息。在某些二十面體鋁基準晶中，RDF曲線在特定距離處會出現(xiàn)尖銳的峰，這表明在該距離處存在著穩(wěn)定的原子團簇結構，如二十面體原子團簇。這些峰的位置和強度反映了原子團簇內部原子間的距離和相互作用強度，不同類型的鋁基準晶由于原子排列方式的差異，其RDF曲線的峰位和峰形也會有所不同，從而可以通過RDF曲線來區(qū)分不同結構的鋁基準晶。原子對分析技術則專注于對原子間特定對的分析。通過識別和統(tǒng)計體系中不同原子對的數(shù)量、距離以及鍵角等信息，能夠深入了解原子間的相互作用和結構特征。在鋁基準晶中，利用原子對分析技術可以研究鋁-鋁原子對、鋁-其他合金元素原子對之間的相互作用。某些鋁基準晶中添加合金元素后，通過原子對分析可以發(fā)現(xiàn)合金元素與鋁原子之間形成了特定的化學鍵，這些化學鍵的長度、鍵角以及數(shù)量等信息，對于理解合金元素對鋁基準晶結構和性能的影響機制具有重要意義。鍵序參數(shù)方法是從原子的局部環(huán)境角度來刻畫原子團簇和結構特征的有效手段。常見的鍵序參數(shù)如Steinhardt鍵序參數(shù)，通過定義一組與原子局部配位環(huán)境相關的參數(shù)，來描述原子周圍的對稱性和有序性。對于二十面體原子團簇，其具有特定的鍵序參數(shù)值，通過計算體系中各原子的鍵序參數(shù)，可以準確地識別出二十面體原子團簇的存在及其分布情況。在研究鋁基準晶的結構轉變過程中，鍵序參數(shù)的變化能夠清晰地反映出原子團簇的重組和結構的演變，當鋁基準晶在溫度變化或外力作用下發(fā)生結構轉變時，鍵序參數(shù)會相應地發(fā)生改變，從而為研究結構轉變機制提供關鍵信息。2.3.2熱學性能分析在分子動力學模擬中，獲取鋁基準晶體系的熱學參數(shù)是研究其熱學性能的基礎。體系能量的計算是熱學參數(shù)獲取的關鍵環(huán)節(jié)。通過對模擬過程中原子間相互作用勢能和原子動能的累加，可以得到體系的總能量。在不同溫度條件下，體系能量會發(fā)生相應變化。隨著溫度升高，原子的動能增大，體系總能量也隨之增加。通過模擬不同溫度下體系能量的變化，能夠繪制出體系能量與溫度的關系曲線，從曲線的斜率可以計算出體系的熱容。比熱容是衡量材料熱學性能的重要參數(shù)之一，它反映了單位質量的材料在溫度升高1K時所吸收的熱量。在分子動力學模擬中，根據(jù)能量與溫度的關系，利用公式C_V=\frac{\partialE}{\partialT}（其中C_V為定容比熱容，E為體系能量，T為溫度）可以計算出鋁基準晶的比熱容。研究發(fā)現(xiàn)，鋁基準晶的比熱容在一定溫度范圍內可能會出現(xiàn)異常變化。某些鋁基準晶在低溫下比熱容隨溫度升高而逐漸增大，當溫度達到某一臨界值時，比熱容會出現(xiàn)突變，這可能與鋁基準晶內部原子結構的變化或原子間相互作用的改變有關。溫度對鋁基準晶體系結構和熱學性能有著顯著影響。隨著溫度的升高，原子的熱振動加劇，原子間的距離和相互作用發(fā)生改變，從而導致體系結構的變化。在高溫下，鋁基準晶中的原子團簇可能會發(fā)生解離或重組，使得體系的長程有序性受到破壞。這種結構變化會進一步影響體系的熱學性能，如熱膨脹系數(shù)、熱導率等。溫度升高通常會導致鋁基準晶的熱膨脹系數(shù)增大，原子間距的增大使得聲子散射增強，進而導致熱導率降低。2.3.3力學性能分析在分子動力學模擬中，通過模擬單軸拉伸、壓縮等實驗，可以獲得鋁基準晶的應力-應變曲線，從而深入分析其力學性能。在單軸拉伸模擬實驗中，沿特定方向對鋁基準晶模型施加拉伸力，隨著拉伸應變的逐漸增加，記錄體系所產(chǎn)生的應力變化。通過對模擬過程中原子的位移、速度以及相互作用力等信息的分析，利用公式\sigma=\frac{F}{A}（其中\(zhòng)sigma為應力，F(xiàn)為施加的外力，A為受力面積）計算出應力值，同時根據(jù)原子的位移計算出應變值，進而繪制出應力-應變曲線。應力-應變曲線蘊含著豐富的材料力學性能信息。在彈性階段，曲線呈現(xiàn)出線性關系，其斜率即為材料的彈性模量，它反映了材料抵抗彈性變形的能力。鋁基準晶的彈性模量與晶體結構密切相關，不同類型的鋁基準晶由于原子排列方式和原子間相互作用的差異，其彈性模量會有所不同。當應力達到一定值時，材料開始進入塑性階段，此時曲線不再是線性的，發(fā)生了不可逆的塑性變形。屈服強度是材料開始發(fā)生塑性變形時的應力值，它是衡量材料強度的重要指標之一。在鋁基準晶中，屈服強度的大小受到原子團簇結構、位錯運動等因素的影響。隨著應變的進一步增加，應力達到最大值，即材料的抗拉強度，它表示材料在斷裂前所能承受的最大應力。材料的韌性也是力學性能的重要方面，它反映了材料在斷裂前吸收能量的能力。通過應力-應變曲線下的面積可以估算材料的韌性，面積越大，表明材料的韌性越好。在鋁基準晶中，由于其原子排列結構的特殊性，位錯運動相對困難，導致其塑性和韌性相對較低。但通過合金化、熱處理等方法，可以改善鋁基準晶的力學性能，在鋁基準晶中添加適量的合金元素，可能會引入新的原子團簇或缺陷，從而影響位錯的運動，提高材料的塑性和韌性，使得應力-應變曲線下的面積增大。3.鋁基準晶結構熱學性能研究3.1模型構建與模擬設置在深入探究鋁基準晶的熱學性能時，構建精確的原子模型是研究的基石。以AlNiRh準晶近似相為研究對象，采用基于實驗數(shù)據(jù)和理論模型的方法來構建原子模型。通過X射線衍射（XRD）、透射電子顯微鏡（TEM）等先進實驗技術，獲取AlNiRh準晶近似相的晶體結構信息，如晶格參數(shù)、原子坐標等。利用這些實驗數(shù)據(jù)，在分子動力學模擬軟件中構建原子模型。在構建過程中，明確原子種類為鋁（Al）、鎳（Ni）和銠（Rh），依據(jù)化學計量比確定各原子的數(shù)量。根據(jù)晶體結構的空間群信息，精確設置原子的初始位置，確保原子在晶胞中的位置符合其晶體結構特征。在模擬過程中，邊界條件的設置對模擬結果的準確性至關重要。采用周期性邊界條件，將模擬區(qū)域視為一個無限大體系的一部分。當原子離開模擬區(qū)域的一側時，會從另一側重新進入，這種邊界條件有效避免了邊界效應的干擾，使模擬結果更接近真實體系。在研究鋁基準晶的熱膨脹性能時，周期性邊界條件能夠保證在溫度變化過程中，原子的運動和相互作用不受邊界的影響，從而準確地反映出鋁基準晶在宏觀尺度上的熱膨脹行為。時間步長和模擬時長的選擇也會影響模擬結果的準確性和計算效率。經(jīng)過多次測試和驗證，確定時間步長為1fs（飛秒）。這個時間步長既能保證模擬過程中原子運動的準確性，又能在合理的計算時間內完成模擬。模擬時長設置為1000ps（皮秒），確保體系在模擬過程中能夠充分達到熱力學平衡狀態(tài)。在研究鋁基準晶的比熱容時，足夠長的模擬時長能夠使體系的能量充分穩(wěn)定，從而準確地計算出比熱容值。3.2熱學性能模擬結果與分析3.2.1準晶結構非晶化轉變通過分子動力學模擬，深入探究了不同溫度下鋁基準晶結構的非晶化轉變過程，獲得了豐富且有價值的結果。當溫度逐漸升高時，鋁基準晶的原子結構發(fā)生顯著變化。在較低溫度下，鋁基準晶保持著其獨特的準周期有序結構，原子間通過特定的鍵合方式形成穩(wěn)定的原子團簇，如二十面體原子團簇。這些原子團簇在空間中以規(guī)則的方式排列，形成長程取向有序的結構。隨著溫度升高至一定程度，原子的熱振動加劇，原子團簇的穩(wěn)定性受到影響。部分原子開始脫離原有的團簇結構，原子間的鍵合逐漸被破壞。此時，原子排列的有序性開始下降，長程取向有序結構逐漸被打亂。在非晶化轉變過程中，體系的能量也發(fā)生明顯變化。隨著原子間鍵合的破壞和原子排列的無序化，體系的勢能逐漸增加。這是因為原子脫離穩(wěn)定的團簇結構后，處于更高能量的狀態(tài)。體系的動能也隨著溫度的升高而增大，原子熱運動更加劇烈。鋁基準晶結構的非晶化轉變機制主要涉及原子的擴散和原子團簇的重組。高溫下，原子具有足夠的能量克服原子間的勢壘，從而發(fā)生擴散。原子的擴散導致原子團簇的結構發(fā)生改變，原有的準周期有序排列被打破。原子團簇之間的連接方式發(fā)生變化，逐漸形成無序的原子排列結構，最終實現(xiàn)從準晶到非晶的轉變。3.2.2非晶結構晶化轉變模擬結果清晰地展示了非晶結構在特定條件下向晶態(tài)轉變的過程。在晶化過程初期，非晶結構中首先出現(xiàn)一些微小的原子團簇，這些團簇具有一定的短程有序性。隨著溫度的升高或時間的延長，這些原子團簇逐漸長大，并通過原子的擴散和遷移相互連接。在原子團簇生長和連接的過程中，體系的能量逐漸降低。這是因為原子逐漸排列成更穩(wěn)定的晶體結構，原子間的相互作用更加穩(wěn)定，勢能降低。體系的熵也隨著晶化過程的進行而減小，因為原子從無序的非晶態(tài)轉變?yōu)橛行虻木B(tài)，系統(tǒng)的混亂度降低。非晶結構晶化轉變機制主要包括形核和生長兩個階段。在形核階段，非晶結構中由于原子的熱運動和漲落，會局部形成一些具有晶體結構特征的微小區(qū)域，這些區(qū)域成為晶核。晶核的形成需要克服一定的能量勢壘，只有當局部原子的排列和能量滿足一定條件時，晶核才能穩(wěn)定存在。在生長階段，晶核周圍的原子通過擴散不斷加入到晶核中，使晶核逐漸長大。隨著晶核的不斷長大和相互連接，最終形成完整的晶體結構。3.2.3熱學性能參數(shù)分析在分子動力學模擬的基礎上，精確計算了鋁基準晶體系的比熱容和熱膨脹系數(shù)等熱學性能參數(shù)，并深入分析了溫度對這些參數(shù)的影響規(guī)律。隨著溫度的升高，鋁基準晶的比熱容呈現(xiàn)出先緩慢增加，然后在某一溫度范圍內急劇增加，之后又逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢。在低溫階段，原子的熱振動主要局限在平衡位置附近，原子間的相互作用較強，比熱容增加較為緩慢。當溫度升高到一定程度時，原子的熱振動加劇，原子間的相互作用開始發(fā)生變化，如原子團簇的結構調整、原子間鍵的斷裂和重組等，這些過程需要吸收更多的能量，導致比熱容急劇增加。隨著溫度進一步升高，原子的熱運動達到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，比熱容也逐漸趨于穩(wěn)定。鋁基準晶的熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而逐漸增大。這是因為溫度升高時，原子的熱振動加劇，原子間的平均距離增大，從而導致材料的體積膨脹。在不同溫度區(qū)間，熱膨脹系數(shù)的增長速率有所不同。在低溫區(qū)間，熱膨脹系數(shù)增長較為緩慢，隨著溫度的升高，熱膨脹系數(shù)的增長速率逐漸加快。將模擬得到的熱學性能參數(shù)與實驗數(shù)據(jù)及其他理論計算結果進行對比，發(fā)現(xiàn)模擬結果與實驗數(shù)據(jù)在趨勢上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。與某些理論計算結果相比，模擬結果在某些方面能夠更準確地反映鋁基準晶的熱學性能。這種差異可能源于模擬過程中采用的原子間相互作用勢、模擬模型的局限性以及實驗測量誤差等因素。4.鋁基準晶結構力學性能研究4.1不同類型鋁基準晶模型為深入探究鋁基準晶的力學性能，構建不同類型的鋁基準晶模型是研究的關鍵起點。以AlNiRh準晶納米絲模型為例，其構建過程充分考慮了納米尺度下材料的結構特點。在原子尺度上，明確了鋁（Al）、鎳（Ni）和銠（Rh）原子的種類和數(shù)量，依據(jù)其化學計量比進行精確設定。通過先進的模擬技術，將原子按照準晶的特定排列方式進行布局，形成具有準周期有序結構的納米絲模型。該模型在長度方向上具有一定的尺寸限制，一般控制在幾十到幾百納米之間，以模擬納米絲的實際尺寸范圍。在橫截面上，原子排列呈現(xiàn)出準晶的特征，如存在二十面體原子團簇等。這種模型在研究鋁基準晶納米絲的力學性能方面具有顯著優(yōu)勢。由于其納米尺度的特性，能夠有效研究尺寸效應對于鋁基準晶力學性能的影響。在納米尺度下，表面原子與內部原子的比例較大，表面效應會對材料的力學性能產(chǎn)生重要作用。通過對AlNiRh準晶納米絲模型的模擬，可以清晰地觀察到表面原子的運動和相互作用對材料彈性模量、屈服強度等力學性能指標的影響。再看AlNiCo十次準晶結構塊體模型，其構建側重于模擬宏觀尺度下的準晶結構。在模型構建過程中，同樣精確確定了Al、Ni、Co原子的種類和數(shù)量，確保符合化學計量比。原子在三維空間中按照十次準晶的結構特征進行排列，形成具有長程取向有序的塊體結構。與納米絲模型不同，塊體模型的尺寸相對較大，通常在微米到毫米量級，以更好地模擬實際工程中使用的塊體材料。該模型在研究鋁基準晶塊體材料的力學性能時具有獨特優(yōu)勢。它能夠全面考慮材料內部的缺陷、位錯等因素對力學性能的影響。在塊體材料中，缺陷和位錯的存在會顯著改變材料的力學行為。通過對AlNiCo十次準晶結構塊體模型的模擬，可以深入研究位錯的產(chǎn)生、運動和交互作用，以及缺陷對材料強度、韌性等力學性能的影響機制。4.鋁基準晶結構力學性能研究4.2力學性能模擬結果與分析4.2.1納米絲拉伸模擬對AlNiRh準晶納米絲進行單軸拉伸模擬，獲取了豐富且深入的結果。在拉伸過程中，納米絲中的二十面體團簇經(jīng)歷了顯著變化。隨著拉伸應變的逐漸增加，二十面體團簇的結構穩(wěn)定性受到挑戰(zhàn)。在較低應變階段，二十面體團簇內部的原子通過特定的鍵合方式保持相對穩(wěn)定的位置關系。但當應變達到一定程度時，部分原子間的鍵開始斷裂，導致二十面體團簇的結構發(fā)生畸變。隨著應變的進一步增大，二十面體團簇逐漸解體，原子開始重新排列。原子的位移和旋轉在拉伸過程中也十分顯著。通過模擬觀察到，原子的位移并非均勻分布，納米絲表面的原子位移相對較大，這是由于表面原子的配位環(huán)境與內部原子不同，表面原子的束縛力較弱，更容易在拉伸力的作用下發(fā)生位移。在納米絲的內部，原子的位移則呈現(xiàn)出一定的方向性，沿著拉伸方向的原子位移明顯大于垂直于拉伸方向的原子位移。原子還發(fā)生了旋轉現(xiàn)象，這種旋轉使得原子間的鍵角和鍵長發(fā)生改變，進一步影響了納米絲的力學性能。納米絲的斷裂機制主要包括裂紋的萌生和擴展。在拉伸初期，由于原子的不均勻位移和原子團簇的結構變化，在納米絲內部的一些薄弱區(qū)域，如原子團簇的界面處或存在缺陷的位置，開始萌生微小裂紋。隨著拉伸的繼續(xù)，這些微小裂紋逐漸擴展并相互連接。裂紋擴展的方向與拉伸方向密切相關，通常沿著與拉伸方向成一定角度的平面擴展，這是因為在這個方向上，原子間的結合力相對較弱，更容易被破壞。當裂紋擴展到一定程度時，納米絲最終發(fā)生斷裂。4.2.2塊體拉伸模擬針對AlNiCo十次準晶結構塊體進行單軸拉伸模擬，結果表明不同勢函數(shù)對模擬結果存在顯著影響?；趥鹘y(tǒng)對勢的勢函數(shù)在描述原子間相互作用時，由于其考慮因素相對簡單，僅能近似地反映原子間的部分相互作用。在模擬塊體拉伸時，這種勢函數(shù)得到的應力-應變曲線與實際情況可能存在一定偏差。在計算屈服強度和彈性模量時，使用傳統(tǒng)對勢勢函數(shù)得到的結果可能與實驗值相差較大。而Realistic型勢函數(shù)則充分考慮了原子的電子云分布、多體相互作用等復雜因素，能夠更準確地描述原子間的相互作用。在模擬塊體拉伸時，使用Realistic型勢函數(shù)得到的應力-應變曲線與實驗結果更為接近。在計算屈服強度和彈性模量等力學性能參數(shù)時，其結果與實驗值的吻合度更高。在塊體拉伸過程中，應力-應變關系呈現(xiàn)出明顯的階段性特征。在彈性階段，應力與應變呈線性關系，材料的變形是可逆的。此時，原子間的相對位置發(fā)生微小變化，但原子間的鍵并未發(fā)生斷裂。當應力達到屈服強度時，材料進入塑性變形階段，應力-應變曲線不再是線性的，變形開始呈現(xiàn)出不可逆性。在塑性變形階段，位錯的運動和增殖是主要的變形機制。隨著拉伸應變的增加，位錯在晶體內部不斷滑移和相互作用，導致材料的微觀結構發(fā)生變化。裂紋的萌生和擴展是塊體拉伸過程中的關鍵環(huán)節(jié)。在塑性變形過程中，由于位錯的聚集和相互作用，在材料內部形成應力集中區(qū)域。當應力集中達到一定程度時，裂紋開始在這些區(qū)域萌生。裂紋萌生后，會沿著材料的薄弱面進行擴展。在擴展過程中，裂紋會遇到各種微觀結構障礙，如晶界、第二相粒子等。這些障礙會阻礙裂紋的擴展，使得裂紋的擴展路徑變得曲折。當裂紋擴展到一定程度，材料無法承受外部載荷時，最終發(fā)生斷裂。5.影響因素分析5.1化學成分的影響在鋁基準晶中，不同合金元素的添加猶如在材料微觀世界中引入了不同的“變量”，對其熱學與力學性能產(chǎn)生著復雜而深刻的影響。以鎳（Ni）元素為例，當在鋁基準晶中添加Ni時，Ni原子會融入鋁原子的晶格結構中，改變原子間的相互作用。由于Ni原子與Al原子的原子半徑和電負性存在差異，這種差異導致原子間的結合力發(fā)生變化。在熱學性能方面，Ni的添加會影響鋁基準晶的熱膨脹系數(shù)。由于Ni-Al原子間的結合力較強，限制了原子在溫度變化時的熱振動幅度，使得鋁基準晶的熱膨脹系數(shù)降低。在力學性能方面，Ni的存在會增加鋁基準晶的硬度和強度。這是因為Ni原子的加入阻礙了位錯的運動，使得材料在受力時更難發(fā)生塑性變形。銠（Rh）元素的添加同樣對鋁基準晶性能有著顯著影響。Rh原子具有較高的熔點和較大的原子半徑，其融入鋁基準晶結構后，會增強原子間的相互作用。在熱學性能上，Rh的添加有助于提高鋁基準晶的熱穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，Rh原子能夠抑制原子團簇的解離和結構的變化，使得鋁基準晶在較高溫度下仍能保持相對穩(wěn)定的結構，從而提高其耐熱性能。從力學性能角度來看，Rh的加入可以顯著提高鋁基準晶的彈性模量。由于Rh-Al原子間較強的相互作用，使得材料在受力時原子間的位移更加困難，從而表現(xiàn)出更高的彈性模量，增強了材料抵抗彈性變形的能力。鈷（Co）元素在鋁基準晶中也扮演著重要角色。Co原子與Al原子形成的化學鍵具有一定的方向性和強度，這會改變鋁基準晶的原子排列和電子云分布。在熱學性能方面，Co的添加會影響鋁基準晶的比熱容。由于Co原子的電子結構特點，其與周圍Al原子的相互作用會導致體系能量狀態(tài)的改變，從而使得鋁基準晶在吸收或釋放熱量時的行為發(fā)生變化，表現(xiàn)為比熱容的改變。在力學性能方面，適量的Co可以改善鋁基準晶的塑性。Co原子的存在可以促進位錯的滑移和攀移，使得材料在受力時能夠通過位錯運動來協(xié)調變形，從而提高其塑性。但當Co含量過高時，可能會形成硬脆的金屬間化合物，導致材料的韌性下降。通過模擬不同合金元素含量變化與鋁基準晶性能變化之間的關系，進一步揭示了化學成分對性能的影響規(guī)律。當Ni含量逐漸增加時，鋁基準晶的硬度呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，而熱膨脹系數(shù)則逐漸減小。這表明Ni含量的增加使得原子間結合力增強，材料的剛性增大，同時熱膨脹行為受到抑制。對于Rh含量的變化，隨著Rh含量的增加，鋁基準晶的熱穩(wěn)定性和彈性模量都得到顯著提高。這說明Rh原子在鋁基準晶結構中的作用主要是增強原子間的相互作用，提高材料的高溫穩(wěn)定性和抵抗彈性變形的能力。在Co含量變化的模擬中，當Co含量在一定范圍內增加時，鋁基準晶的塑性逐漸改善，而當Co含量超過某一閾值時，材料的韌性開始下降。這體現(xiàn)了Co元素在改善鋁基準晶塑性方面存在一個最佳含量范圍，超過這個范圍，其負面影響將逐漸顯現(xiàn)。5.2微觀結構的影響鋁基準晶中的原子團簇猶如構建材料微觀世界的“基石”，對其熱學與力學性能起著根本性的影響。以二十面體原子團簇為例，在熱學性能方面，它的存在會顯著影響聲子的傳播。由于二十面體原子團簇內部原子間的鍵合方式和原子排列具有高度的規(guī)律性，這種結構會對聲子產(chǎn)生強烈的散射作用。聲子在傳播過程中遇到二十面體原子團簇時，其傳播方向會發(fā)生改變，能量也會發(fā)生衰減。這使得鋁基準晶的熱導率降低，因為熱導率與聲子的傳播效率密切相關。在一些含有大量二十面體原子團簇的鋁基準晶中，熱導率相較于普通鋁合金明顯降低，這表明原子團簇對聲子的散射作用有效地阻礙了熱量的傳遞。從力學性能角度來看，原子團簇對鋁基準晶的強度和塑性有著重要影響。原子團簇內部原子間較強的相互作用使得原子團簇具有較高的穩(wěn)定性。當材料受到外力作用時，原子團簇能夠有效地阻礙位錯的運動。位錯在運動過程中遇到原子團簇時，需要克服較大的阻力才能繼續(xù)前進。這使得鋁基準晶的強度得到提高，因為位錯的運動是材料發(fā)生塑性變形的主要機制之一，阻礙位錯運動就意味著提高了材料的強度。然而，過多的原子團簇也可能導致材料的塑性降低。由于原子團簇的存在限制了位錯的滑移和攀移，使得材料在受力時難以通過位錯運動來協(xié)調變形，從而導致塑性下降。在某些鋁基準晶中，當原子團簇的含量過高時，材料在拉伸試驗中容易發(fā)生脆性斷裂，塑性指標明顯降低。晶界作為鋁基準晶中原子排列不規(guī)則的區(qū)域，對熱學與力學性能同樣有著不可忽視的影響。在熱學性能方面，晶界處原子的無序排列會增加聲子的散射概率。聲子在晶界處會與不規(guī)則排列的原子相互作用，導致聲子的能量損失和傳播方向改變。這進一步降低了鋁基準晶的熱導率。晶界處的原子具有較高的能量，在溫度變化時，晶界處的原子更容易發(fā)生擴散和遷移。這會影響鋁基準晶的熱膨脹性能，使得晶界附近的熱膨脹行為與晶內有所不同。在力學性能方面，晶界對鋁基準晶的強度和韌性起著關鍵作用。晶界能夠阻礙位錯的運動，從而提高材料的強度。當位錯運動到晶界時，由于晶界處原子排列的不規(guī)則性，位錯難以直接穿過晶界，需要消耗更多的能量。這使得材料在受力時更難發(fā)生塑性變形，從而提高了強度。晶界也是裂紋萌生和擴展的薄弱區(qū)域。由于晶界處原子間的結合力相對較弱，在受到外力作用時，晶界處容易產(chǎn)生應力集中。當應力集中達到一定程度時，裂紋就會在晶界處萌生。裂紋一旦在晶界處萌生，就容易沿著晶界擴展，導致材料的韌性降低。在一些鋁基準晶中，通過細化晶粒增加晶界面積，可以提高材料的強度，但同時也可能會降低材料的韌性。為了提高鋁基準晶的綜合力學性能，需要通過合適的工藝來調控晶界的結構和性能，如通過控制晶界的雜質含量、晶界的取向等方式，來改善晶界的性能，從而提高材料的強度和韌性。5.3溫度的影響溫度作為一個關鍵的外部因素，對鋁基準晶的熱學與力學性能有著深刻且復雜的影響。隨著溫度的升高，鋁基準晶內部原子的熱運動顯著加劇。原子的熱振動能量增加，原子間的距離和相互作用發(fā)生明顯改變。在熱學性能方面，原子熱運動的加劇使得鋁基準晶的熱膨脹系數(shù)增大。這是因為溫度升高時，原子的平均動能增大，原子間的平衡距離增大，從而導致材料的體積膨脹。在一些鋁基準晶中，當溫度從300K升高到500K時，熱膨脹系數(shù)可能會增加20%-30%，這種熱膨脹行為的變化會對鋁基準晶在高溫環(huán)境下的應用產(chǎn)生重要影響，在航空航天領域，高溫下鋁基準晶部件的熱膨脹可能會導致部件之間的配合精度下降，影響設備的正常運行。溫度對鋁基準晶的比熱容也有顯著影響。在低溫階段，原子的熱振動主要局限在平衡位置附近，原子間的相互作用較強，比熱容相對較低。隨著溫度的升高，原子的熱振動加劇，原子間的相互作用開始發(fā)生變化，如原子團簇的結構調整、原子間鍵的斷裂和重組等，這些過程需要吸收更多的能量，導致比熱容逐漸增大。在某一溫度范圍內，鋁基準晶的比熱容可能會出現(xiàn)急劇增加的現(xiàn)象，這通常與材料內部的結構轉變或相變有關。當鋁基準晶發(fā)生從準晶到非晶的轉變時，由于原子排列的無序化和原子間相互作用的改變，比熱容會發(fā)生明顯變化。從力學性能角度來看，溫度升高會導致鋁基準晶的強度和硬度降低。這是因為高溫下原子的熱運動增強，原子間的結合力減弱，使得位錯更容易運動。在較低溫度下，位錯需要克服較大的阻力才能在晶體中滑移，而隨著溫度升高，位錯運動的阻力減小，材料更容易發(fā)生塑性變形。在拉伸試驗中，隨著溫度的升高，鋁基準晶的屈服強度和抗拉強度會逐漸降低，塑性則會相應增加。當溫度從室溫升高到300℃時，某些鋁基準晶的屈服強度可能會降低30%-40%，這表明溫度對鋁基準晶的力學性能有著重要的調控作用。通過模擬不同溫度下鋁基準晶的性能變化，能夠更直觀地揭示溫度與熱學性能參數(shù)、力學性能參數(shù)之間的定量關系。在模擬中，設定一系列不同的溫度點，如200K、300K、400K等，對每個溫度點下的鋁基準晶進行熱學和力學性能模擬。通過分析模擬結果，可以得到熱膨脹系數(shù)與溫度的線性關系表達式，如熱膨脹系數(shù)α=aT+b，其中a和b是通過模擬數(shù)據(jù)擬合得到的系數(shù)，T為溫度。對于力學性能參數(shù)，如屈服強度σy與溫度T之間可能存在指數(shù)關系，即σy=σ0e^(-cT)，其中σ0是室溫下的屈服強度，c是與材料特性相關的常數(shù)。這些定量關系的建立，為鋁基準晶在不同溫度環(huán)境下的應用提供了重要的理論依據(jù)，可以根據(jù)實際使用溫度，準確預測鋁基準晶的性能變化，從而合理設計和選擇材料。6.結論與展望6.1研究成果總結通過深入的分子動力學模擬研究，本研究在鋁基準晶熱學與力學性能領域取得了一系列具有重要價值的成果。在熱學性能方面，成功揭示了鋁基準晶在不同溫度下的結構轉變規(guī)律。隨著溫度升高，鋁基準晶會發(fā)生從準晶到非晶的轉變，原子團簇的穩(wěn)定性被破壞，原子排列逐漸無序化。而在非晶化后，當溫度和其他條件適宜時，非晶結構又會向晶態(tài)轉變，經(jīng)歷形核和生長兩個關鍵階段。精確計算了鋁基準晶的比熱容和熱膨脹系數(shù)等熱學性能參數(shù)。比熱容隨溫度呈現(xiàn)出先緩慢增加、再急劇增加、最后趨于穩(wěn)定的獨特變化趨勢，熱膨脹系數(shù)則隨著溫度升高而逐漸增大。這些熱學性能參數(shù)的變化與鋁基準晶內部原子的熱運動、原子團簇結構的調整以及原子間相互作用的改變密切相關。在力學性能研究中，針對不同類型的鋁基準晶模型，如AlNiRh準晶納米絲模型和AlNiCo十次準晶結構塊體模型，開展了系統(tǒng)的單軸拉伸模擬。對于納米絲模型，詳細分析了拉伸過程中二十面體團簇的變化、原子的位移和旋轉以及裂紋的萌生和擴展等關鍵過程。隨著拉伸應變的增加，二十面體團簇逐漸解體，原子發(fā)生明顯的位移和旋轉，裂紋在薄弱區(qū)域萌生并擴展，最終導致納米絲斷裂。在塊體模型的拉伸模擬中，明確了不同勢函數(shù)對模擬結果的顯著影響。Realistic型勢函數(shù)由于充分考慮了原子間的復雜相互作用，能夠更準確地描述塊體拉伸過程中的應力-應變關系，其模