晶體幾何結構參數?摘要：應用分子動力學方法，通過大規模，并結合Tersoff勢函數計算研究晶體材料的力學性能、結構轉變以及物理特性可将α-SiO2在常溫單軸加載過程分成三個階斷，依次為：彈性變形、塑性變形以及斷裂變形其中屈服強度、斷裂強度分别為22.6GPa和36GPa随着溫度的升高，α-SiO2的屈服強度和應變逐漸降低，晶體非晶化轉變所需的屈服應變也逐漸降低，高溫引起α-SiO2晶體的斷裂應力和應變逐漸降低，下面我們就來聊聊關于晶體幾何結構參數?接下來我們就一起去了解一下吧!

晶體幾何結構參數

摘要：應用分子動力學方法，通過大規模，并結合Tersoff勢函數計算研究晶體材料的力學性能、結構轉變以及物理特性。可将α-SiO2在常溫單軸加載過程分成三個階斷，依次為：彈性變形、塑性變形以及斷裂變形。其中屈服強度、斷裂強度分别為22.6GPa和36GPa。随着溫度的升高，α-SiO2的屈服強度和應變逐漸降低，晶體非晶化轉變所需的屈服應變也逐漸降低，高溫引起α-SiO2晶體的斷裂應力和應變逐漸降低。

關鍵詞： 分子動力學 力學性能 應力 晶體

α-SiO2在常溫下具有穩定的晶體結構。目前針對α-SiO2的研究通常采用實驗觀測高壓下非晶化的相變，如：王德軍[1]研究了α-石英在高溫高壓下的結構轉變，将α-石英在高溫高壓下合成了小尺度的柯石英；Palmer等[2]研究了α-SiO2在常溫下的加壓相變過程，得到了石英相變的規律；張廣強等[3]通過機械球磨研究了α-SiO2在高溫高壓下的結構轉變以及形成柯石英的實驗條件；Dubrovinsky等[4]研究了α-SiO2的高壓相變，得到了類似α-PbO2結構的石英相，當應力為25~35GPa時，發生非晶化轉化，卸載壓力後完全非晶化。近年來，應用分子動力學方法，通過大規模并行計算研究晶體材料的力學性能、結構轉變以及物理特性已引起人們廣泛關注[5-9]。如潘海波[10]通過分子動力學方法用Morse勢模拟了α-SiO2的高壓相變，結果表明，晶體在高于24.6GPa時發生非晶相變，其計算結果與實驗結果相符。實驗上通常采用加壓(靜水壓)的方法研究石英α-SiO2的相變過程，随着計算材料的發展，應用分子動力學方法表征材料的力學特征已得到廣泛應用。本文應用分子動力學方法研究α-SiO2在準靜态應變加載下的力學性能，通過分析常溫下應力應變曲線的變化，分析α-SiO2在常溫下的力學性能，并考察溫度對拉伸力學性能的影響規律。

1、模型和方法

1.1 模型

α-SiO2的晶體模型如圖1所示。在SiO2中，矽位于正四面體中心，4個氧原子位于正四面體的4個頂角上，圖1(A)表示SiO2在體心立方結構中的晶胞。根據笛卡爾坐标構建α-SiO2的晶體結構，如圖1(B)所示。其中，xyz三個方向上的晶格常數分别為a=0.4978nm，b=0.4978nm，c=0.6948nm，盒子長度為30a×30b×30c，總原子數為324000個，在xyz三個方向上均采用周期性邊界條件。

1.2 模拟方法

在分子動力學模拟過程中，先用Tersoff勢函數[11]描述Si—O間的相互作用，再在NPT系綜下，以時間步長1fs，用Nose-Hoover熱浴方法在常溫下進行弛豫，弛豫步數為10000步。模型弛豫過程中的能量變化如圖2所示。由圖2可見，晶體模型在10ps後達到平衡。在NVT系綜下進行準靜态單軸加載，加載的方式為應變加載，加載應變率為1×109/s，用Nose-Hoover熱浴方法控制系統溫度保持其在相應的溫度條件下，分别模拟α-SiO2晶體在300，500，700，900K的拉伸力學性能。用LAMMPS代碼[12]模拟α-SiO2晶體的力學性能。

圖1α-SiO2的晶體模型；圖2模型弛豫過程中的能量變化；圖3α-SiO2在常溫下拉伸的應力-應變曲線

2、結果與讨論

2.1 常溫下應力-應變曲線分析

α-SiO2在常溫下拉伸的應力-應變曲線如圖3所示。應力-應變關系可反映材料的基本力學性能[13-16]，由圖3可見：随着應變的增加，α-SiO2晶體在應變為4.7%時出現彈性極限(圖3中A點)，且應力與應變呈非線性關系；A點後晶體進入彈性變形階段，應力與應變呈線性關系；當應變為32.6%時，應力達到第一個屈服點，屈服應力為22.6GPa，與實驗和理論結果一緻[4，10]；随後晶體進入塑性變形階段，應力在B點和C點間振蕩，納米晶體發生非晶化相變；随着加載的進行，應力逐漸增加至峰值C點，α-SiO2晶體進入斷裂階段，斷裂強度為36GPa.随着應變的增加，應力急劇下降為0，α-SiO2晶體完全斷裂。即α-SiO2晶體在常溫單軸拉伸過程中經曆了彈性階段、塑性階段(非晶化相變)及斷裂階段。通過Hooke定律計算可得α-SiO2晶體的彈性模量為69GPa，因此，α-SiO2晶體的強度較高。

2.2 溫度效應

α-SiO2晶體在不同溫度下的應力-應變曲線如圖4所示。由圖4可見：屈服應力和屈服應變随溫度的升高而降低，即α-SiO2晶體彈性變形階段随溫度升高而縮短，達到屈服強度所需的加載應變減小；彈性模量随溫度的升高而逐漸降低。α-SiO2在不同溫度下拉伸的力學參數列于表1.由表1可見：當α-SiO2晶體的加載溫度由300K升高至500K時，α-SiO2晶體的彈性模量降低了2.29GPa；當溫度由500K升高至700K時，彈性模量降低了1.34GPa；當溫度由700K升高至900K時，彈性模量降低了1.26GPa.由于高溫引起α-SiO2晶體彈性模量下降的輻度較小，因此高溫僅略降低了α-SiO2晶體強度，對整體強度影響較小。

圖4α-SiO2在不同溫度下的應力-應變曲線；表1α-SiO2在不同溫度下拉伸的力學參數；圖5不同溫度下斷裂應力和應變的變化曲線

不同溫度下斷裂應力和應變的變化曲線如圖5所示。由圖5可見，随着溫度的升高，斷裂應力約從36GPa降低至29GPa，呈直線下降趨勢。斷裂應變随溫度升高在下降過程中出現反彈，但整體呈下降趨勢。因此，溫度越高斷裂應力和應變越低，α-SiO2晶體在高溫單軸加載下易出現斷裂。綜上，本文采用分子動力學方法，結合Teroff勢函數，模拟了α-SiO2晶體的力學性能，并研究了溫度對α-SiO2力學性能的影響。

結果表明：α-SiO2在常溫單軸加載過程中經曆了彈性變形、塑性變形以及斷裂變形3個階段，其中屈服強度為22.6GPa，斷裂強度為36GPa，在塑性變形階段觀察到α-SiO2從晶相向非晶轉化的相變過程；随着溫度的升高，α-SiO2的屈服強度和應變逐漸降低，晶體非晶化轉變所需的屈服應變也逐漸降低，高溫引起α-SiO2晶體的斷裂應力和應變逐漸降低。

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