Atomistic modelling of deformation and failure mechanisms in nanostructured materials

Abstract

在过去的二十多年中，全世界范围内掀起了研究纳米结构材料的热潮。通过设计或控制材料的微结构，使其特征尺寸低于100纳米，从而使得材料的一些力学、物理和化学性能得到极大地提升。在研究这些纳米结构材料的力学行为（即变形和破坏）时，由于受到微纳米尺度下实验操作和可视化技术的限制，人们对于材料内部发生的变形行为和过程是无法探测得到的。近年来，伴随着计算机运算能力的不断提高、高效算法的不断涌现和改进，分子动力学模拟正在逐渐成为研究纳米结构材料变形和破坏的一种有效的工具和手段。分子动力学模拟不仅能够再现纳米结构材料内部的变形过程，而且能够揭示材料内在的变形和破坏机制。 尽管分子动力学方法在研究纳米结构材料的变形和破坏机理方面取得了长足的进步和发展，但是分子动力学模拟结果与实验测量结果仍然存在较大的差距。这些差距主要是由于分子动力学方法固有的空间和时间尺度限制造成的。为了克服这些限制，存在两种可能的解决方案：一种是将分子动力学方法与介观或连续介质方法进行耦合，建立适用于大空间/时间尺度的多/跨尺度计算方法；另一种是依靠不断提高超级计算机的性能以及更准确、更高效算法的发展，将分子动力学模拟拓展到更大的空间和时间尺度。此外，原子间相互作用势函数的发展，对于未来材料基因组计划中设计新型合金和复合材料而言，是一个非常重要的研究方向。这一发展将会使分子动力学模拟更加有效、具有一定的预见性，降低或消除分子动力学模拟和实验之间的差距，进而达到“通过计算来进行材料设计”的目标。