形變的分子模擬
       利用Daresbury 實(shí)驗室開發(fā)的2.20版DL-POLY進(jìn)行所有的模擬實(shí)驗。實(shí)驗條件為300k，0.5fs時間步長。實(shí)驗分兩步驟對機(jī)械性能進(jìn)行觀察。第一步對原子模型進(jìn)行平衡，第二步對模型進(jìn)行漸進(jìn)軸向機(jī)械裝載。
平衡狀態(tài)
       將NPT和NVT整體結(jié)合，進(jìn)行平衡狀態(tài)實(shí)驗。首先將模型在NPT條件下運(yùn)行模型，時間步長為30000；然后在NVT條件下對模型進(jìn)行機(jī)械裝載。
應(yīng)力應(yīng)變曲線
       利用應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行抗拉實(shí)驗和抗剪實(shí)驗。對所有模型施以應(yīng)變場，進(jìn)行軸向拉伸實(shí)驗。
       沿著形變的方向?qū)D單元的大小進(jìn)行測量并施以應(yīng)變，然后對原子的新坐標(biāo)重新測量以便匹配新的大小。完成初始形變以后，繼續(xù)對MD進(jìn)行模擬，在新的MD單元大小范圍內(nèi)對原子進(jìn)行平衡。重復(fù)該步驟以實(shí)現(xiàn)持續(xù)漸進(jìn)形變。軸向拉伸方向上的應(yīng)變增量為0.25%。然后，將系統(tǒng)松弛0.1ps，將系統(tǒng)上的應(yīng)力調(diào)和至大于0.1ps。實(shí)驗采用周期邊界條件。
結(jié)果和討論        圖四可以看出距離裂縫尖端幾納米的ND顆粒簇叢增強(qiáng)了模型I的韌性和強(qiáng)度。圖五可以看出ND顆粒有效防止了裂縫的擴(kuò)散。
       為觀察ND顆粒形變性對整體應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)的影響，實(shí)驗建立了一個ND為不可形變的模擬。曲線如圖五所示。圖六為對應(yīng)的MD?？梢悦黠@看出不可形變的ND顆粒明顯降低了整體強(qiáng)度和韌性。由于ND顆粒是不可形變的，當(dāng)裂縫產(chǎn)生并影響ND-SiC界面時，不存在能量損失。圖五可以看出在10%應(yīng)變處應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生了彎曲。
       為理解ND核是否影響應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)，實(shí)驗建立了一個洞空ND增強(qiáng)模型。圖八為對應(yīng)MD圖。圖七可以看出，洞空ND沒有增強(qiáng)SiC的機(jī)械性能；同時還可以看出洞空變形ND顆粒不能防止裂縫的擴(kuò)散。因此，和WND應(yīng)力應(yīng)變曲線相比，沒有觀察到任何差別。        為完善對納米顆粒增強(qiáng)效果的評估，實(shí)驗還進(jìn)行了不可變形的洞空ND研究，曲線如圖九所示。圖十為對應(yīng)的MD。圖九可以看出，當(dāng)不可變形洞空ND嵌入時，整體應(yīng)力應(yīng)變性能下降。使用硬質(zhì)ND時，圖十顯示類似趨勢。這說明和硬質(zhì)ND增強(qiáng)系統(tǒng)相比，不可變形洞空ND的變形機(jī)理是一樣的。由此可以推斷超硬增強(qiáng)納米顆粒不會增強(qiáng)其機(jī)械性能。
       為研究納米顆粒屬性對SiC基體的影響，實(shí)驗用同樣尺寸的Si替代ND。需要注意的是Si沒有SiC更硬，因此把它放入裂縫中。曲線如圖11所示。由圖可以看出摻入Si增強(qiáng)體后并沒有改善整體應(yīng)力應(yīng)變性能。 模型II裂縫
       從抗拉實(shí)驗可以看出SiC的強(qiáng)度和韌性只有在ND顆粒不是超硬屬性的情況下才能得到改善。為驗證該假設(shè)，研究對所有實(shí)驗進(jìn)行抗剪實(shí)驗，結(jié)果顯示增強(qiáng)ND改善了SiC的韌性。圖12為抗剪實(shí)驗結(jié)果。圖13為對應(yīng)的MD。由于錯位成核，剪切負(fù)載過程中發(fā)生顯著的塑性變形。 （編譯：中國超硬材料網(wǎng)）