一种通过改变悬臂梁刚度调控纳米压痕破坏特性的方法

本发明涉及分子动力学，尤其涉及一种通过改变悬臂梁刚度调控纳米压痕破坏特性的方法。

背景技术：

1、作为一种材料机械性能的检测方法，纳米压痕已经被应用到许多二维材料上用于检测二维材料的机械性能。在纳米材料领域，材料表征仪器比如投射电子显微镜（transmission electron microscope，tem）、扫描电子显微镜（sem）以及原子力显微镜（afm）已经被广泛用于探索许多材料的物理性能。在这些方法中，原子力显微镜经常用于纳米压痕实验。aleksey falin等人采用原子力显微镜对1-9层的氮化硼纳米薄片进行机械特性的研究，结果显示，氮化硼的层数对其强度没有显著的影响。yuhaoli等人从硒化铟晶体上剥离了硒化铟的薄片，并将其放置在硅/二氧化硅基底上，并采用了基于原子力显微镜的纳米压痕实验，发现二维的硒化铟薄片比大部分的二维材料要软，比碳纤维具有更高的断裂强度，但是更加柔软。carlos s. ruiz-vargas等学者通过原子力显微镜方法解释了基于纳米压痕的平面外波纹有效地软化了石墨烯的平面内刚度的现象。

2、然而，随着研究的逐步增多，有学者发现这种基于原子力显微镜去研究纳米压痕的方法是不准确的，原因是尖锐afm尖端附近的局部集中应力不能为裂纹萌生后的进一步裂纹扩展提供足够的驱动力。为了更加完整地研究纳米压痕的整个过程以及其他影响因素，类似于分子动力学模拟的纳米压痕方法被逐渐开发，并被应用到不同材料的纳米压痕研究上。lokanath等学者采用分子动力学模拟方法计算了石墨烯的纳米压痕过程，发现层间势能对纳米压痕行为具有显著影响。weidong wang等学者计算了单层二硫化钼的纳米压痕行为，发现材料所能承受最大载荷随着加载速度的提高而增大。此外，压头的半径和温度都对力和偏转曲线具有显著影响。teng zhong等学者探索了石墨烯的层数对杨氏模量的影响，文献称当层数较少时，杨氏模量维持在1 tpa，而当层数更高时，杨氏模量会降低。jinzhang等学者基于分子动力学模拟研究了多层悬浮碲化镓的纳米压痕行为，结果表明：gate纳米片的杨氏模量的尺寸依赖性是由层间压缩和剪切的协同作用引起的。robert等学者研究了石墨烯和二硫化钼所组成异质结构的纳米压痕行为，证明了相较于其他同种材料来说，由石墨烯和二硫化钼所组成的异质结构具有更好的机械性能，如杨氏模量、最终强度和断裂应变。

3、在过去的二十年中，不同温度的纳米压痕行为已经被学者们所不断研究。早在2002年，te-hua等学者用分子动力学模拟测试了温度对纳米压痕的影响，他们的研究表明，单晶铜的杨氏模量和硬度在更高的温度下更低。xiancheng du等学者研究了单晶硅在不同温度下的机械性能，发现其硬度会随着温度的提高而降低。yinliu等学者探讨了纳米压痕过程中温度对六方氮化硼纳米片力学响应的影响，结果表明，温度对机械响应具有明显的影响，尤其是在低温状态。junhua zhao等学者测试了不同温度的二硫化钼的机械性能，发现二硫化钼的杨氏模量、最大承受载荷以及应变都在当温度从4.2 k增加到500 k时减小。chen qiu等学者基于分子动力学模拟研究了cu50zr50的纳米压痕行为，证明了随着温度的增加，载荷和硬度降低，此外弹性模量会提高。

4、对于二硫化钼这种材料来说，其机械响应已经被很多学者所研究。在基于分子动力学模拟的纳米压痕研究中，压头往往被设置为以固定速度下降，并没有考虑弹簧刚度对纳米压痕行为的影响。然而，在真正的基于原子力显微镜的纳米压痕实验中，悬臂往往具有不同的弹簧刚度。已有学者证明，在纳米压痕实验中，悬臂梁的弹簧刚度对纳米压痕的行为具有显著的影响。因此，为了更好地表征不同悬臂弹簧刚度对纳米压痕行为的影响，本发明建立了一个新的纳米压痕模型，该模型中的压头被不同刚度的弹簧所连接以模仿真实的原子力显微镜的悬臂梁，并研究在悬浮和支撑基底条件下，二硫化钼在不同压头弹簧刚度下的纳米压痕行为。此外，目前也少有学者对纳米压痕行为中的接触界面间原子的声子特性进行研究。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种通过改变悬臂梁刚度调控纳米压痕破坏特性的方法。

2、为解决上述问题，本发明所述的一种通过改变悬臂梁刚度调控纳米压痕破坏特性的方法，包括以下步骤：

3、⑴以圆柱和圆锥相结合的硅探针作为afm悬臂梁的硅压头，以二硫化钼为基底，建立分子动力学模型；其中二硫化钼基底设置为悬浮和刚体支撑两种；

4、在基底最上层的一层二硫化钼原子当中，靠近 y轴一侧的原子被设置为刚体去固定基底；而靠近 y方向一侧固定边原子设置为恒温层；

5、硅压头设定为沿着固定速度而下坠；

6、在基底上，对探针的每一个原子在 z方向都施加不同大小的弹簧刚度；

7、在硅压头的 x和 y方向均施加弹簧刚度，且在 x和 y方向的弹簧刚度为5000 n/m，在 z方向的弹簧刚度为100~900 n/m；

8、选择基底上二硫化钼的顶层的八个原子用于计算声子态密度；

9、⑵确定不同弹簧刚度对悬浮基底纳米压痕过程的影响：

10、模拟原子力显微镜的纳米压痕过程，统计整个过程中硅压头所受的压痕力以及从恒温层提取出的耗散能量；在硅压头加载过程中，压痕力随着硅压头的加载即时间的推移而不断增加；当模拟时间到达了一个定值时，悬浮基底会由于硅压头的下压而被破坏；同时，在相同的加载速度下，硅压头的弹簧刚度越大，悬浮基底破坏的越快；

11、⑶确定不同弹簧刚度对刚体支撑基底纳米压痕过程的影响：

12、当硅压头的弹簧刚度为100 n/m时，在温度为0 k和300 k时，支撑基底在500 ps之内的崩坏过程都不会发生；当弹簧刚度更高时，在500 ps内观察到模型的破坏；并且在0 k和300 k下，破坏时间随着弹簧刚度的提高而缓慢减小；

13、⑷建立悬浮基底压痕深度与时间变化曲线，确定随着弹簧刚度的增大，悬浮基底在压痕过程中更快速地到达最大压痕深度，进而使得模型更早破坏；

14、⑸建立支撑基底压痕深度与时间变化曲线，确定在支撑基底下，压痕深度的上升趋势较为平缓；当支撑基底被压坏后，压痕深度又突然的增加；在温度为0 k和300 k时，随着弹簧刚度的增大，支撑基底会达到更大的压痕深度，且支撑基底的最大压痕深度明显低于悬浮基底的最大压痕深度；同时，在0 k和300 k，相同的弹簧刚度会造成几乎相同的压痕深度；

15、⑹悬浮基底在压痕过程中不同温度和弹簧刚度的云图：

16、确定不同弹簧刚度对悬浮基底在压痕过程中对材料的影响，以悬浮基底原子在垂直方向上的位置做云图；

17、⑺支撑基底在压痕过程中不同温度和弹簧刚度的云图；

18、确定不同弹簧刚度对支撑基底在压痕过程中对材料的影响，以支撑基底原子在垂直方向上的位置做云图；

19、⑻悬浮基底在不同温度和弹簧刚度时的势能变化；

20、统计二硫化钼在压痕过程中的势能变化，并解释悬浮基底的力学响应；

21、⑼支撑基底在不同温度和弹簧刚度时的势能变化；

22、统计二硫化钼在压痕过程中的势能变化，并解释支撑基底的力学响应；

23、⑽确定悬浮基底和支撑基底的界面间距、力常数和态密度，研究不同基底在压痕过程中的声学模式变化，并解释其变化的原因；进而用声子特性揭示力学响应变化的内在机理。

24、所述步骤⑴中当采用悬浮基底时，硅压头的加载速度为2 m/s；当采用支撑基底时，硅压头的加载速度为9 m/s。

25、本发明与现有技术相比具有以下优点：

26、1、本发明以悬浮二硫化钼基底和有刚体支撑的二硫化钼基底为研究对象，探究了在不同压头弹簧刚度和不同温度情况下，材料在纳米压痕过程中所展现的力学响应随不同弹簧刚度和温度变化的内在机理。

27、2、本发明中采用云图等图像，针对弹簧刚度对纳米压痕行为影响的规律进行分析。

28、3、本发明还研究了不同压头弹簧刚度对纳米压痕过程中声子特性的影响。

技术特征：

1.一种通过改变悬臂梁刚度调控纳米压痕破坏特性的方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种通过改变悬臂梁刚度调控纳米压痕破坏特性的方法，其特征在于：所述步骤⑴中当采用悬浮基底时，硅压头的加载速度为2 m/s；当采用支撑基底时，硅压头的加载速度为9 m/s。

技术总结
本发明涉及一种通过改变悬臂梁刚度调控纳米压痕破坏特性的方法，包括以下步骤：⑴以圆柱和圆锥相结合的硅探针作为AFM悬臂梁的硅压头，以二硫化钼为基底，建立分子动力学模型；其中二硫化钼基底设置为悬浮和刚体支撑两种；⑵确定不同弹簧刚度对悬浮基底纳米压痕过程的影响：⑶确定不同弹簧刚度对刚体支撑基底纳米压痕过程的影响：⑷建立悬浮基底压痕深度与时间变化曲线；⑸建立支撑基底压痕深度与时间变化曲线；⑹悬浮基底在压痕过程中的云图：⑺支撑基底在压痕过程中的云图；⑻悬浮基底的势能变化；⑼支撑基底的势能变化；⑽用声子特性揭示力学响应变化的内在机理。本发明探究了材料的力学响应随不同弹簧刚度和温度变化的内在机理。

技术研发人员：董赟,廉芳铭,丁雨松,惠伟斌
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23