CN114334021A - 基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，包括：第一步，建立分子动力学仿真模型；第二步，设置模拟参数；第三步，依据模拟参数采用分子动力学模拟的方法计算并且输出模拟结果；第四步，对输出模拟结果进行处理以获晶体缺陷；第五步，将分子动力学模拟的晶体缺陷与试验获得的透射电镜结果的晶体缺陷进行对比验证。它具有如下优点：基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，可用于分子动力学模拟结果的检验，提升分子动力学仿真模型的准确性，提高分子模拟结果的可信度。

Description

基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法
技术领域
本发明涉及分子模拟方法技术领域，尤其涉及基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法。
背景技术
分子动力学模拟技术已被广泛应用于材料的表面特性、纳米力学性能、材料相变等问题的研究。分子动力学模拟技术具有纳米尺度下原子级的观察能力，因此成为解决纳米尺度下材料的形变等问题的重要方法，该方法具有可重复性好，节约研究成本的优势。分子动力学模拟技术作为一种仿真技术，其模拟结果的可信度决定着分子动力学模拟技术的前景。目前用于检验分子模拟结果准确度的验证方法尚存在欠缺，这制约着相关研究的进展，因此提供一种切实可行的模拟结果验证方法对分子动力学模拟技术的有效应用具有重要意义。
发明内容
本发明提供了基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，其克服了背景技术中所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，包括：
第一步，建立分子动力学仿真模型；
第二步，设置模拟参数；
第三步，依据模拟参数采用分子动力学模拟的方法计算并且输出模拟结果；
第四步，对输出模拟结果进行处理以获晶体缺陷；
第五步，将分子动力学模拟的晶体缺陷与试验获得的透射电镜结果的晶体缺陷进行对比验证。
一较佳实施例之中：第一步中，采用LAMMPS软件建立仿真模型。
一较佳实施例之中：第一步中，采用纳米压痕测试方法建立球形压头与块状基体的组合模型，该压头与基体都由单晶氧化铝制成；通过LAMMPS软件建立刚性的球形的压头及长方体的基体，基体材料根据实际试验工况，分为三层且依序为牛顿层、恒温层以及边界层，其中牛顿层原子遵循牛顿第二定律，在势函数的作用下进行模拟演化，恒温层原子温度控制在297K，模拟试验的环境温度，边界层原子固定不动，防止在加载过程中基体发生平动。
一较佳实施例之中：第二步中，模拟参数包括模拟维度、边界条件、势函数、系综选择、系统控温方式、模拟温度和时间步。
一较佳实施例之中：第三步中，模拟结果包括：原子编号所对应的原子类型、所带电荷量和原子的三维坐标；第四步中，采用OVITO软件对输出模拟结果中每个原子的三维坐标进行处理以获基体材料的晶体缺陷。
一较佳实施例之中：晶体缺陷为亚表面缺陷。
一较佳实施例之中：第五步中，将处理过后的亚表面缺陷与透射电镜的分析结果的亚表面缺陷进行对比。
一较佳实施例之中：第五步中，如验证不符合则调整模拟参数然后再执行第三步直至验证符合。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，可用于分子动力学模拟结果的检验，提升分子动力学仿真模型的准确性，提高分子模拟结果的可信度。第三步中，模拟结果包括：原子编号所对应的原子类型、所带电荷量和原子的三维坐标；第四步中，采用OVITO软件对输出模拟结果中每个原子的三维坐标进行处理以获基体材料的晶体缺陷，验证可靠，方便，准确度高。晶体缺陷为亚表面缺陷，更便于验证，验证更可靠。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1为本具体实施方式的分子动力学模型验证方法的流程图。
图2为本具体实施方式的基于纳米压痕的分子动力学仿真模型。
图3为本具体实施方式的纳米压痕后基体截面的亚表面缺陷。
图4为文献的单晶蓝宝石纳米压痕的亚表面透射电镜图。
具体实施方式
请查阅图1，基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，包括：
步骤1，建立分子动力学仿真模型，具体为：
采用纳米压痕测试方法建立球形压头与块状基体的组合模型，该压头1与基体都由理想单晶氧化铝制成，单晶氧化铝晶格参数为：
Figure BDA0003453153130000031
α＝β＝90°andγ＝120°；通过LAMMPS软件建立刚性的半径为7nm的球形压头及三维尺寸为28×28×23nm3的长方体基体，基体材料根据实际试验工况，分为三层且依序为牛顿层11、恒温层12以及边界层13，其中牛顿层原子遵循牛顿第二定律，在势函数的作用下进行模拟演化，恒温层原子温度控制在297K，模拟试验的环境温度，边界层原子固定不动，防止在加载过程中基体发生平动。请查阅图2，本具体实施方式中模拟方式为纳米压痕，根据实际需要也可以采用纳米划痕、单轴拉伸、压缩，剪切等方式进行，基体为长方体形，根据实际需要也可以建模其他形状的基体，压头也可以采用三棱锥、四棱锥形等其他形状。采用上述模型，更便于验证，验证更可靠。
第二步，设置模拟参数，在LAMMPS软件中确定分子动力学模拟所必须的相关参数，该参数包括模拟维度、边界条件、势函数、系综选择、系统控温方式、模拟温度和时间步。具体设置为：
模拟维度为三维，温度为297K，模拟实际室温，边界条件是压头加载方向上为自由边界条件，其他方向上为周期边界条件，时间步为1飞秒，原子间相互作用势采用Buckingham势函数，系综在平衡阶段采用NVT，在压头工作阶段采用NVE，外部载荷类型为压入载荷、系统控温方式为速度标定法、加载和卸载速率均为100m/s，加载深度为7nm。
第三步，依据模拟参数采用分子动力学模拟方法计算并且输出模拟结果，模拟结果包括以下结果数据：原子编号所对应的原子类型、所带电荷量和原子的三维坐标。
第四步，采用OVITO软件对输出模拟结果进行处理以获基体材料的晶体缺陷，该晶体缺陷如亚表面缺陷，该处理的数据是模拟结果中每个原子的三维坐标。具体为：
对分子动力学仿真的输出数据进行可视化处理，本实施例中采用了OVITO软件对模拟数据进行处理。采用软件中的位错分析功能(DXA)进行基体材料的亚表面缺陷分析(DXA方法只支持具有特定结构的晶格进行位错分析，单晶氧化铝中氧原子是密排六方结构，因此DXA适用于单晶氧化铝材料分析)，所获得的分析后的亚表面缺陷如图3所示。
第五步，将分子动力学模拟的亚表面缺陷图与试验获得的透射电镜结果进行对比验证，具体为：
将试验获得纳米压痕的透射电镜图与仿真的亚表面缺陷图进行对比。本实施例中的透射电镜图来自于文献“S.J.Lloydy,J.M.Molina-Aldareguia,W.J.Clegg,利用透射电镜技术检测纳米压痕作用下蓝宝石、尖晶石和氧化镁的材料变形,哲学杂志A辑,82(2002)1963-1969”，也可以开展纳米压痕实验，进而制样，使用透射电镜获得试验结果。仿真与试验结果的对比，主要是对比亚表面的缺陷情况。如图3和4所示，试验获得的TEM图中出现的基面滑移31(Basal slip)，锥面滑移32(pyramidal slip)在仿真的截面中都清晰获得，此外仿真的截面还出现了菱形面滑移33(rhombohedral slip)。基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，对比了仿真与试验的亚表面的损伤形式，验证了分子动力学模型的可信度，如验证不符合，则调整模拟参数再执行第三步，直至验证符合，以得到具有可信度的分子动力学仿真模型。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，其特征在于：包括：
第一步，建立分子动力学仿真模型；
第二步，设置模拟参数；
第三步，依据模拟参数采用分子动力学模拟的方法计算并且输出模拟结果；
第四步，对输出模拟结果进行处理以获晶体缺陷；
第五步，将分子动力学模拟的晶体缺陷与试验获得的透射电镜结果的晶体缺陷进行对比验证。
2.根据权利要求1所述的基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，其特征在于：第一步中，采用LAMMPS软件建立仿真模型。
3.根据权利要求2所述的基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，其特征在于：第一步中，采用纳米压痕测试方法建立球形压头与块状基体的组合模型，该压头与基体都由单晶氧化铝制成；通过LAMMPS软件建立刚性的球形的压头及长方体的基体，基体材料根据实际试验工况，分为三层且依序为牛顿层、恒温层以及边界层，其中牛顿层原子遵循牛顿第二定律，在势函数的作用下进行模拟演化，恒温层原子温度控制在297K，模拟试验的环境温度，边界层原子固定不动，防止在加载过程中基体发生平动。
4.根据权利要求1所述的基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，其特征在于：第二步中，模拟参数包括模拟维度、边界条件、势函数、系综选择、系统控温方式、模拟温度和时间步。
5.根据权利要求1所述的基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，其特征在于：第三步中，模拟结果包括：原子编号所对应的原子类型、所带电荷量和原子的三维坐标；第四步中，采用OVITO软件对输出模拟结果中每个原子的三维坐标进行处理以获基体材料的晶体缺陷。
6.根据权利要求5所述的基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，其特征在于：晶体缺陷为亚表面缺陷。
7.根据权利要求6所述的基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，其特征在于：第五步中，将处理过后的亚表面缺陷与透射电镜的分析结果的亚表面缺陷进行对比。
8.根据权利要求1所述的基于透射电镜分析结果的分子动力学模型验证方法，其特征在于：第五步中，如验证不符合则调整模拟参数然后再执行第三步直至验证符合。
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