聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的形态结构、 热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和纳米颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明, 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物为各向同性的无定形态结构, 铜纳米颗粒与聚酰亚胺基体之间通过较强的范德华作用结合在一起使结构更加稳定, 铜纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 在铜颗粒和聚酰亚胺基体之间形成界面层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的等容热容随着颗粒尺寸增大而明显增高, 随温度变化比聚酰亚胺体系更为缓慢, 在较低温度下较小颗粒尺寸复合物的热容比聚酰亚胺体系更低. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的热压力系数随颗粒尺寸增加而显著增大, 比聚酰亚胺体系的热压力系数更小, 且随温度升高而减小的程度要小得多. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的热力学性质表现出明显的尺度效应, 温度稳定性明显高于聚酰亚胺体系. 聚酰亚胺/铜纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚酰亚胺体系更低的杨氏模量和泊松比, 随温度升高分别减小和增大, 与聚酰亚胺体系随温度的变化趋势相反, 且杨氏模量的温度稳定性显著提高, 同时泊松比随纳米颗粒尺寸增大而减小, 具有明显的尺度效应. 加入铜纳米颗粒形成复合物可获得与聚酰亚胺体系显著不同的力学新特性. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 聚酰亚胺 纳米颗粒     

聚乙烯/银纳米颗粒复合物的分子动力学模拟研究

通过分子动力学模拟对聚乙烯/银纳米颗粒复合物的结构、极化率和红外光谱、热力学性质、力学特性进行计算, 分析其随模拟温度和银颗粒尺寸的变化规律. 模拟结果表明: 聚乙烯/银纳米颗粒复合物为各向同性的无定形结构, 温度升高可提高银纳米颗粒的分散均匀性; 银纳米颗粒表面多个原子层呈现无定形状态, 并在银颗粒和聚乙烯基体的界面形成电极化层, 界面区域随颗粒尺寸和温度的增加分别减小和增加; 与聚乙烯体系相比, 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的极化率高很多, 且随温度的升高和银颗粒尺寸的减小而增大; 银颗粒尺寸直接影响界面电偶极矩的强度和振动频率, 红外光谱峰强度和峰位随颗粒尺寸发生变化; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物具有比聚乙烯体系更高的等容热容和与聚乙烯体系相反的负值热压力系数, 热容随颗粒尺寸的变化较小, 但随温度的升高而明显减小, 具有显著的温度效应; 热压力系数随温度的变化较小, 但随颗粒尺寸的增加而减小, 具有明显的尺度效应, 温度稳定性更好; 聚乙烯/银纳米颗粒复合物的力学特性表现出各向同性材料的弹性常数张量, 具有比聚乙烯体系更高的杨氏模量和泊松比, 并且都随温度的升高和银颗粒尺寸的增大而减小, 加入银纳米颗粒可有效改善聚乙烯的力学性质. 关键词： 分子动力学模拟 聚合物纳米复合物 纳米颗粒     

钽铌酸钾晶体二次电光效应的应用研究进展

钽铌酸钾晶体(KTN)是目前已知的具有最大二次电光系数的晶体,利用其电光效应可改变光的相位、强度和传播方向,可广泛应用于光通讯、屏幕显示和生物医疗等领域。讨论了晶体组分、温度、缺陷和生长条纹对KTN晶体二次电光系数的影响;介绍了近几年国际上报道的几种基于KTN晶体二次电光效应的器件电光调制器、光开关、光束扫描器、变焦透镜和光谱仪,阐述了它们的的基本原理、研究现状和应用前景;对国内外KTN晶体电光器件研究的发展趋势进行了展望。     

钽铌酸钾晶体二次电光效应的应用研究进展

钽铌酸钾晶体(KTN)是目前已知的具有最大二次电光系数的晶体,利用其电光效应可改变光的相位、强度和传播方向,可广泛应用于光通讯、屏幕显示和生物医疗等领域。讨论了晶体组分、温度、缺陷和生长条纹对KTN晶体二次电光系数的影响;介绍了近几年国际上报道的几种基于KTN晶体二次电光效应的器件电光调制器、光开关、光束扫描器、变焦透镜和光谱仪,阐述了它们的的基本原理、研究现状和应用前景;对国内外KTN晶体电光器件研究的发展趋势进行了展望。     

聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟

应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(T_g).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的T_g均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其T_g(559.30 K)较纯PI的T_g(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后T_g(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm~(-3),溶解度参数为23.51 J~(1/2)·cm~(-3/2),其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料T_g的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.     

分形结构纳米复合材料热导率的分子动力学模拟研究

提出了一基于Sierpinski分形结构的Si/Ge纳米复合材料结构,以调控纳米复合材料的热导率.采用非平衡分子动力学方法模拟研究了分形结构Si/Ge纳米复合材料的导热性能,给出了硅原子百分比、轴向长度以及截面尺寸对分形结构纳米复合材料热导率的影响规律,并与传统矩形结构进行了对比.研究结果表明,分形结构纳米复合材料增强了Si/Ge界面散射作用,使得热导率低于传统矩形结构,这为提高材料的热电效率提供了有效途径.Si原子百分比、截面尺寸、轴向长度皆对分形结构纳米复合材料热导率存在着重要影响.纳米复合材料热导率随着Si原子百分比的增加呈先减小后增加的趋势,随轴向长度的增加则呈单调增大趋势.     

钽铌酸锂晶体的布里渊散射研究

研究了钽铌酸锂(LiTa_xNb_(1-x)O_3,x=0.0013,0.0052,0.015,0.06)晶体在室温的布里渊散射.给出了它们的弹性刚度常数和压电应力常数.测量了一种组份晶体的布里渊散射频移在50K～580K范围内的温度特性.发现某些声子散射谱中除三个正常峰外还存在一个异常峰.     

硅纳米颗粒在碳纳米管表面生长的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了硅纳米颗粒在碳纳米管上的生长，并分析了这种复合材料的基本结构.研究表明，由于硅原子和碳纳米管之间的相互作用以及碳纳米管的巨大的表面曲率，硅原子在碳纳米管表面不是形成覆盖碳纳米管的二维薄膜，而是生成具有三维结构的硅纳米颗粒.小纳米颗粒的结构和无基底条件下生成的颗粒结构基本一致.对于大纳米颗粒，不同于无基底条件下形成的球状纳米晶体硅结构，硅纳米颗粒沿管轴方向伸长，其结构为类似于硅晶体的无定形网络结构. 关键词： 纳米颗粒 碳纳米管 硅 分子动力学模拟     

纳米Cu颗粒等温晶化过程的分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法和镶嵌原子势,模拟了500个Cu原子(简称Cu₅₀₀) 组成的纳米颗粒的等温晶化过程.利用修正的均方位移、键对分析技术和内在结构(IS) 等方法对该过程中的结构和动力学行为进行分析研究.结果显示:与块体金属不同的是, Cu₅₀₀纳米颗粒在某一温度保温时,其晶化时间并不是一个定值, 而是存在一个统计分布,并且保温温度越低其晶化时间的分布范围越广, 最长晶化时间越长.在低温晶化时, Cu₅₀₀经历了一系列中间构型的转变才达到晶态, 表现出多步晶化的特征.文章作者研究了颗粒的初始构型对晶化进程的影响, 发现颗粒的初始结构特征和能量状态对其随后的晶化过程有着重要的影响, 同一温度下,颗粒初始构型的IS能量越低其晶化时间越长,这一点在低温时尤其明显.     

SiC纳米纤维/C/SiC复合材料拉伸行为的分子动力学研究

本文采用分子动力学计算方法和Tersoff作用势研究了无定型碳(amorphous carbon, a-C) 涂层厚度对SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料断裂方式及力学性能的影响. 分析结果发现, 随着涂层厚度的增加, 纳米纤维的平均应力集中系数下降, 即足够厚度涂层可以同时起到增强和补韧的作用. 当a-C涂层厚度t ≤ 0.3 nm时, 裂纹直接穿透纤维, 纳米复合材料表现出典型的脆性断裂方式; t = 4.0 nm时, 裂纹发生偏转, SiC纳米纤维发生拔出现象, 此时纳米复合材料的拉伸强度约为无涂层纳米复合材料的4倍, 断裂能则提高一个数量级. 计算结果表明, a-C涂层的厚度是SiC纳米纤维/SiC纳米复合材料中产生韧性机理的重要因素, 即传统微米级陶瓷基复合材料的增韧理论在纳米复合材料中仍适用. 研究结果可望为设计同时具有高强度、高韧性的陶瓷基纳米复合材料提供理论基础.     

Impedance study of giant dielectric permittivity in BaFe0.5Nb0.5O3 perovskite ceramic

Single-phase BaFe_0.5Nb_0.5O₃ (BFN) ceramics were prepared by solid-state reaction method and were characterized by X-ray Diffraction (XRD) technique. Then, impedance spectroscopy measurements were conducted in a frequency range from 100 Hz to 1 MHz and in a temperature range from 293 to 600 K. Relaxation phenomena of non-Debye type have been observed in the BFN ceramics, as confirmed by the Cole–Cole plots. The higher values of ε′ at the lower frequencies are explained on the basis of the Maxwell–Wagner (MW) polarization model. Complex impedance analysis enables us to separate the contributions from grains and grain boundaries of our samples. We found that at higher temperatures grain boundary resistance is higher than grain resistance, irrespective of composition.     

Structures and elastic properties of paraelectric and ferroelectric KTa0.5Nb0.5O3 from first-principles calculation

The structures, elastic properties and intrinsic hardness of B-O bonds of KTa_0.5Nb_0.5O₃ crystal in paraelectric and ferroelectric phase structures have been investigated by means of the density functional theory. Both structures are found to be elastically stable and in good agreement with available results. The elastic properties including the bulk modulus, shear modulus and Young’s modulus change largely during phase transition. The paraelectric KTa_0.5Nb_0.5O₃ crystal is more incompressible and harder than ferroelectric phase. The hardness of KTa_0.5Nb_0.5O₃ crystal is mostly determined by Nb-O bonds and the modifications of the bond strength affect the hardness of the crystal. Charge density contours indicate that the electronic distributions between B-O bonds play an important role in the formation of elastic properties.     

Improved microstructure, dielectric and ferroelectric properties of microwave-sintered Sr0.5Ba0.5Nb2O6

Ferroelectric strontium barium niobate (SBN) powder was synthesized by solid-state route. The green compacts were sintered in the temperature range 1250–1350 °C in a microwave furnace. The microstructural study, using SEM, revealed the grain size in the range 2–20 μm without microcracks, depending on the sintering temperature. This is in contrast to that obtained conventionally for sintered SBN powder synthesized by solid-state route, which resulted in duplex microstructure with microcracks [N.S. VanDamme, A.E. Sutherland, L. Jones, K. Bridger, S.R. Winzer, J. Am. Ceram. Soc. 74 (1991) 1785; P.K. Patro, A.R. Kulkarni, C.S. Harendranath, Ceram. Int. 30 (2004) 1405; P.K. Patro, Trans. Ind. Inst. Metals 59 (2006) 229]. Impedance analyzer and ferroelectric hysteresis loop tracer were used for the dielectric, ferroelectric, I–V and electric fatigue measurements. Microwave sintering also resulted in a dielectric maxima ε_max 2590 at 1 kHz (compared to 1103 for conventional sintering [P.K. Patro, A.R. Kulkarni, C.S. Harendranath, Ceram. Int. 30 (2004) 1405]) for the sintering temperature of 1350 °C. Similar improvement in microwave-sintered SBN was observed depending on their sintering condition. The origin of this difference is attributed to microstructural differences arising from difference in heating method. In this paper the observed dielectric and ferroelectric behavior have been correlated with different sintering conditions and consequent microstructure due to microwave sintering.     

Synthesis and optical properties of tetragonal KTa0.6Nb0.4O3 nanoparticles

Tetragonal phase KTa_0.6Nb_0.4O₃ (KTN) nanoparticles have been prepared by hydrothermal method. The obtained particles were characterized by X-ray powder diffraction, transmission electron microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy and UV-vis absorption spectrum techniques. A systematic change in crystal structure from cubic to tetragonal is observed with the increase of reaction temperature and KOH concentration. Room temperature UV-vis absorption spectrums of KTN particles show that the band gap changes from 3.24 to 3.34 eV with grain size diminished, which reveals the existence of blue-shift phenomenon of absorption bands.     

碳硅二炔结构及性质分子动力学模拟研究

采用基于量子力学的半经验哈密顿量的计算方法,即SCED-LCAO方法,模拟研究了碳硅二炔的稳定性结构、成键特点、电子结构等性质. 得出其最稳定的结构是单层平面结构,晶格常数为12.251 Å. 它通过 含有两个Si-C三键的链连接六元环构成. 这种平面结构在很大高温范围内都可以保持其稳定特性,直到1520 K时,该基本结构才被破坏,且结构中出现四元环. 体系温度低于1520 K时,均可通过降温,恢复其零温时的结构. 研究还发现这种共轭结构中Si,C 原子间存在稳定的sp杂化形式,对分布函数得出其键长为1.58 Å左右. 高温时sp杂化逐渐转变成其他杂化形式. 计算结果表明,在零温下,该电中性系统中存在离域π键,使得系统中的Si-C键长呈现平均化趋势. 研究表明,碳硅二炔的能隙为1.416 eV,LUMO,HOMO能级分别是0.386 eV和–1.03 eV表明了其n型半导体特性. 关键词： 碳硅二炔 分子动力学模拟 sp杂化 稳定性     

金纳米管力学性能的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法, 研究了金纳米管沿不同晶向拉伸与压缩载荷下的力学性能, 并分析了金纳米管的半径对其力学行为的影响. 在模拟计算中, 采用镶嵌原子势描述金原子之间的相互作用. 模拟结果表明, 在拉伸及压缩过程中, 不同晶向的金纳米管力学性能相差较大, 在拉伸和压缩载荷下金纳米管<110>向的屈服强度最大; 在三个晶向<100>, <110>, <111>的金纳米管中, <100>晶向的金纳米管其屈服强度和杨氏模量都远远小于其他晶向. 研究结果还发现, 当纳米管的半径小于3.0 nm时, 金纳米管的屈服强度没有大的变化, 而当半径大于3.0 nm后, 随着半径的增大, 其屈服强度明显降低. 关键词： 分子动力学模拟 金纳米管 力学性能