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异质性主导了碳化硅纳米线直径依赖的韧性和强度

DOI：10.1103/PhysRevB.98.174111 期刊：Physical Review B 出版年份：2018 更新时间：2025-09-09 09:28:46
摘要： 本文通过结合密度泛函理论与分子动力学模拟，基于能量框架揭示了[111]晶向3C-SiC纳米线直径依赖性极端力学行为的原子尺度起源。研究表明：原子应力异质性与直径相关的势能密度变化对纳米线极端力学性能具有深远影响。这种应力异质性源于低配位表面原子介导的非均匀键长——在较细纳米线中会贯穿整个横截面，构成其断裂应变、韧性与强度大幅降低的原子基础。虽然超薄纳米线的应力异质性显著更高，但其强度随直径增大呈非线性关系快速下降并趋于饱和。横截面最大应力异质性会使裂纹形核位置在超薄纳米线中定位于芯部，而在较粗纳米线中则靠近表面。此外研究显示：纳米线的刚度、韧性、强度与断裂应变均随直径增加呈非线性增长，并在低于体相SiC的数值处趋于饱和。除解决SiC纳米线一阶弹性模量报道值存在广泛差异的问题外，该发现还强调了异质性是导致脆性纳米线呈现直径依赖性极端力学行为的关键因素。
作者： Fazle Elahi，Ling Ma，Zubaer M. Hossain
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究[111]晶向3C-SiC纳米线直径依赖性极端力学行为的原子尺度起源，以及原子应力不均匀性与直径依赖性能量密度变化对其力学性能的影响。

研究成果

原子应力的不均匀性以及直径依赖的势能密度变化显著影响碳化硅纳米线的力学性能。应力不均匀性使裂纹形核局部化，并控制着与直径相关的强度和韧性?；谀芰康目蚣芪扌枰览岛旯奂负涡畔⒓纯勺既饭浪懔ρ阅堋?/p>

研究不足

由于计算成本限制，DFT模拟仅适用于较小尺寸的纳米线。MD模拟采用SW势函数，可能无法准确捕捉所有高阶多体相互作用。本研究聚焦于[111]晶向的3C-SiC纳米线，所得结论未必能直接推广至其他多型体或晶向。

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