分離式擬質(zhì)點(diǎn)方法的研究及納米壓痕多尺度模擬.pdf

1、隨著近幾十年大規(guī)模集成電路技術(shù)和納米技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是當(dāng)電路的特征寬度降低到納米級(jí)之后,通過(guò)對(duì)各類電子部件壓痕特性的分析以揭示其納米尺度下的力學(xué)特性已成為當(dāng)今應(yīng)用研究的關(guān)注點(diǎn)之一。另一方面,諸如金在室溫下可變?yōu)橐簯B(tài)、絕緣體硅能變成導(dǎo)體等這些新穎的材料特性也強(qiáng)烈地激發(fā)著人們對(duì)納米尺度下各類物理現(xiàn)象進(jìn)行不斷探索的熱情。而所有這些問(wèn)題的解決都離不開多尺度分析方法的發(fā)展與完善。尤其是跨原子/連續(xù)介質(zhì)多尺度分析方法的研究在其中占據(jù)著重要地位。

2、但目前常用的多尺度分析方法在連續(xù)介質(zhì)區(qū)域一般采用有限元方法來(lái)加以模擬計(jì)算,這一處理方法容易在原子尺度和有限元尺度的邊界處產(chǎn)生如“鬼力”等各類虛假的物理現(xiàn)象,從而導(dǎo)致兩個(gè)尺度間的物理量并不能光滑無(wú)礙地相互傳遞。同時(shí)在有限元的某些區(qū)域,有限元節(jié)點(diǎn)間距幾乎與原子間距相等。這又將消耗大量的存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間。最近幾年,有研究者將連續(xù)介質(zhì)尺度內(nèi)的模型離散化,采用質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)來(lái)代替以往的有限元系統(tǒng),進(jìn)而發(fā)展出一類被稱之為原子/質(zhì)點(diǎn)多尺度模擬方法。該類方

3、法以其獨(dú)特的幾何構(gòu)造和清晰的物理概念吸引著人們對(duì)其不斷進(jìn)行探索和完善。本論文在已有的原子/質(zhì)點(diǎn)多尺度分析方法的基礎(chǔ)上,從計(jì)算質(zhì)點(diǎn)位置信息和受力信息的角度作為切入點(diǎn),圍繞原子與質(zhì)點(diǎn)多尺度模擬方法的建立和應(yīng)用等問(wèn)題開展了以下幾方面的研究:
　　 1.根據(jù)原子/質(zhì)點(diǎn)模型的基本原理,建立了與面心立方晶胞相對(duì)應(yīng)的新型二級(jí)擬質(zhì)點(diǎn)三維空間幾何模型,使得擬質(zhì)點(diǎn)的空間位置分布更加符合材料的實(shí)際特點(diǎn)。并推導(dǎo)出該擬質(zhì)點(diǎn)幾何模型與面心立方晶胞之間的定量

4、數(shù)值關(guān)系。同時(shí)在原子系統(tǒng)和擬質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)的界面處分別構(gòu)造出虛擬的原子區(qū)域和擬質(zhì)點(diǎn)區(qū)域,從而將自然邊界條件引入到分離式擬質(zhì)點(diǎn)多尺度分析模型中。因此可以保證系統(tǒng)的位移和應(yīng)力等物理量能無(wú)礙地在原子系統(tǒng)區(qū)和擬質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)區(qū)之間互相傳遞。
　　 2.由平均加速度方法求解出此時(shí)的擬質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)的參數(shù),并將其應(yīng)用于對(duì)擬質(zhì)點(diǎn)的加速度、速度和位置等信息的計(jì)算中;基于能量守恒定律求解出擬質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)另一組的勢(shì)能函數(shù)參數(shù),并將其應(yīng)用于對(duì)各個(gè)擬質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)受力信息

5、的計(jì)算中。進(jìn)而繞過(guò)牛頓第二定律,使擬質(zhì)點(diǎn)的位置和受力等物理量與實(shí)際原子系統(tǒng)的物理信息保持一致。
　　 3.以單晶銅納米絲模型為例,對(duì)比分析分離式擬質(zhì)點(diǎn)多尺度方法、廣義質(zhì)點(diǎn)多尺度方法以及分子動(dòng)力學(xué)方法在不同加載速率條件下模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,以驗(yàn)證分離式擬質(zhì)點(diǎn)多尺度分析方法的正確性。
　　 4.采用分離式擬質(zhì)點(diǎn)多尺度分析方法對(duì)含表面缺陷的單晶銅薄膜納米壓痕進(jìn)行了模擬研究。分別討論了缺陷與壓頭的距離取四種不同數(shù)值時(shí),金屬薄膜受壓荷

6、載與壓頭位移之間的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)模型x位移分布圖以及Mises局部剪應(yīng)變不變量分布圖的分析比較,揭示了缺陷對(duì)材料內(nèi)部原子微觀結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。并進(jìn)一步計(jì)算和討論了表面缺陷對(duì)材料內(nèi)部Peierls應(yīng)力的影響效果。
　　 5.應(yīng)用本論文提出的新型多尺度分析方法分別對(duì)金屬銅、鋁和銀的納米壓痕尺寸效應(yīng)進(jìn)行了模擬分析。根據(jù)對(duì)模擬得到的三種金屬材料在四種試件長(zhǎng)度和四種壓頭寬度條件下的荷載與位移響應(yīng)曲線的分析與比較,揭示出材料各個(gè)物理參數(shù)對(duì)其

7、內(nèi)部位錯(cuò)形核的作用規(guī)律。繪制出各種情況下壓頭下方材料Mises局部剪切應(yīng)變不變量分布圖和沿x方向位移的分布圖。從而直觀地體現(xiàn)出壓頭加載過(guò)程中,材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化細(xì)節(jié)。將模擬計(jì)算得到的三種金屬材料的硬度值與文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行比較,證明了該多尺度分析方法的合理性。以金屬鋁薄膜納米壓痕為例,詳細(xì)地討論了位錯(cuò)形核時(shí)所對(duì)應(yīng)的臨界荷載與壓頭寬度的關(guān)系,并將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與理論值以及QC方法得到的模擬值比較,進(jìn)一步驗(yàn)證了該分離式擬質(zhì)點(diǎn)多尺度分析方法