# 基于分子动力学方法以TiO2纳米管为载体的材料力学实验仿真课程设计Design of Material Mechanics Experiment Simulation Course Based on Molecular Dynamics Method Using TiO2 Nanotubes as Carrier

DOI: 10.12677/CES.2018.66078, PDF, HTML, XML, 下载: 583  浏览: 1,058  科研立项经费支持

Abstract: Material mechanics is a very important basic course for material specialty. The quality of the corresponding experiment directly affects the quality of students. In order to improve the ability of analyzing the micro-mechanism of mechanical tensile experiment, in this article, the tensile properties of titanium dioxide nanotubes at different temperatures were simulated by molecular dynamics LAMMPS software and the stress-strain diagram is obtained. When the temperature is 100 K, the tensile strength of TiO2 nanotubes is the highest. The tensile strength decreases when the temperature changes from 100 K to 500 K. With the increase of temperature from 500 K to 2500 K, the tensile strength of TiO2 nanotubes increases gradually. In addition, the changes of tensile morphology are simulated and analyzed by Ovito software, and the distribution of atoms and the force of atoms are analyzed. Therefore, the mechanical stretching of nanotubes at different temperatures by molecular dynamics can cultivate students’ basic research quality and the ability of micro-analysis of mechanical properties of materials.

1. 引言

LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) [9] 是由美国国家能源部下的Sandia国家实验室开发的基于牛顿力学的经典分子动力学模拟的开源软件，可以模拟液体、固体或气态的粒子集合，它可以使用各种力场和边界条件来模拟原子、聚合物、生物、金属、颗粒和粗粒度系统，更适合金属及金属氧化物力学性质预测。本文主要模拟TiO2纳米管分别在100 K、500 K、1000 K、1500 K、2000 K和2500 K的不同温度下拉伸的力学性质，在NPT系综下采用z轴方向单轴拉伸方法。

2. 建立模型

$E=A{e}^{-r/\rho }-\frac{C}{{r}^{6}}\text{\hspace{0.17em}}\text{\hspace{0.17em}}\text{\hspace{0.17em}}r<{r}_{c}$ (1)

Figure 1. TiO2 nanotube model built by Lammps command

3. 实验过程

3.1. 温度与抗拉强度的关系

Figure 2. Tensile stress-strain diagrams of TiO2 nanotubes at different temperatures

Figure 3. Relationship between tensile strength and temperature

3.2. 拉伸形态以及受力分析

Figure 4. The strains of titanium dioxide nanotubes during tensile deformation at 2500 K are: (a) 0; (b) 0.5; (c) 1.0; (d) 1.2; (e) 1.5; (f) 2.0, respectively

${g}_{ij}\left(r\right)=\frac{V}{{N}_{i}\cdot {N}_{j}}\frac{〈n\left(r,r+\Delta r\right)〉}{4\text{π}{r}^{2}\Delta r}$ (2)

2500 K下TiO2纳米管在截断半径为1 nm的径向分布函数随应变的变化如图5所示，结果表明TiO2纳米管被逐渐拉伸的过程，相邻原子之间距离约0.19 nm，也就说明了钛原子和氧原子之间的距离在0.19 nm左右，与文献 [13] 所得的结果相符合。从图中也可以看出随着应变的逐渐增大，第一峰峰位也逐渐向右移动，即钛原子和氧原子的距离增大。通过观察局部放大径向分布函数图可以看出拉伸前50% TiO2纳米管没有较大的变形，结构较为稳定，当拉伸超过50%后，TiO2纳米管开始逐渐变形，结构稳定性下降。这也印证了图4中TiO2不同拉伸应变的结果，当应变超过了1.0后，纳米管稳定性逐渐降低。

Figure 5. Radial distribution function diagram and partial enlargement diagram of 2500 K TiO2 nanotubes under different tensile states

Figure 6. Atomic force analysis of TiO2 nanotubes under different tensile strains at 2500 K; (a) strain 0; (b) strain 0.5; (c) strain 1; (d) strain 1.2; (e) strain 1.5; (f) strain 2

4. 总结

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