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摘 要：随着计算机技术的进步，计算机模拟已广泛应用于材料科学的研究中。金属纳米的分子动力学模拟，可以弥补实验的不足，有效地澄清实验现象，揭示内在机制。近年来，金属纳米材料的研发团队在国内外均制备出了性能优异的纳米金属材料，对材料的结构、性能及内在机制的计算机模拟研究将成为这一领域最为基础、最为前沿的课题。
关键词：纳米；金属材料；计算机；模拟应用
中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1003-2177（2017）04-0000-00
1 纳米金属材料的性能及其应用
纳米金属材料除了具备小尺寸效应、表面与界面效应等纳米材料的共同特性，还具有许多不同于纳米新金属颗粒的特性，这使得纳米金属材料表现出了许多优异性能，特别是普通多晶体材料截然不同的特性，如超高强度、高韧性、卓越的力学性能和优异的电磁性能等，这些特性被应用于电子工业、原子能工业、航空航天工业、化学工业以及生物医学等方面。
1.1纳米金属材料的电磁学性能及应用
当金属粒径处于纳米范畴时，原子间的间距会随密度的增加儿直径变小，所以电导率降低的原因是由于自由电子的自由程度会随之减小，绝缘体的一个转换结果便是原来的金属良导体完成转换。这种现象被科学界称为在尺寸诱导下的金属绝缘体演变。纳米粒子的粗细程度会在一定程度上，影响磁结构的差异。
1.2纳米金属材料的催化性能及应用
纳米金属作为催化剂的基本条件是由金属颗粒的尺寸、表面积大小、表面键态分布和金属的电子态颗粒的构造决定的。如纳米粉在应用于火箭推进剂时，为了提高可燃性，在火箭的燃料箱中添加纳米铝粉和镍粉即可。贵金属把等纳米粒子应用到高分子高聚物上，纳米锗粒子在显示了高效的氢化催化剂，纳米银粉催化剂主要有镍、铁、钻等，以纳米镍粉和纳米铜锌合金粉为主要成分是传统镍催化剂的l2倍。纳米铁粉、镍粉作为汽车尾气的净化剂。纳米材料作为催化剂有使用方便的优点，从而避免了常规催化剂所引起的副产物，并且液相反应体系是可以融合这类催化剂，防止了产生的热量由于局部过热而导致燃料失去活性。纳米材料在表面的催化效率非常高，是由于材料的表面性较好。
1.3 纳米金属材料在光学环境下的性能及应用
小尺寸具有大规模金属材料所不具备的光学性能。大块金属表明在可见光的吸收范围和能力的差异；在纳米量级中，各种纳米金属颗粒对可见光的反射率不同，几百纳米的厚度范围内，可见光即可消除。光电材料、红外材料、红外手电筒等，均是使用了此特性制作的，是金属纳米粒子最有前途的应用领域。金属纳米粒子具有吸收红外线的特点，而且表面积巨大、表面活性高、对周围环境敏感，可制成超小型、低能耗、多功能传感器。
1.4纳米金属材料的化学反应性能及应用
随着纳米材料的粒径减小，表现出非常高的化学反应活性。许多金属纳米材料室温下在压结工作后即可反应产生金属化合物。即便是耐热、耐腐蚀的氮化物材料也会经此过程变得不稳定，例如纳米的平均颗粒直径达到50rim时，在自然空气环境下，适度加热即可燃烧为白色纳米。
2 纳米金属材料的计算机模拟研究
从广义上讲，纳米金属材料是三维空间内，最少有一维处于纳米的尺寸范围，或由该材料作为基本单元的金属材料。这里所说的纳米尺度，是大于1纳米，小于100纳米。纳米材料的单位依照维度区分，可以有如下三类，零维度，一维度，二维度。零维度是指三维均处于纳米尺度范围，比如金属类纳米颗粒；一维是指在空间中有两位在纳米尺寸范围下，如纳米金属颗粒；二位是指有一维在纳米尺度范围下，如纳米金属薄膜。
2.1零维——金属纳米
尺寸小、表面能高、位于表面的原子占较大的体积导致微粒计算机模拟金属纳米微粒的表面原子配位不全，反应活性和催化剂的选择上均高于传统材料，从而引起了理论和实验结果都非常活跃。可变电子在极限分子模拟法中，对10～20纳米的铝粒子进行实时跟踪的氧化反应数据观察。氧化层的渗透反应和饱和效果随着纳米粒子的能量损耗解释了整个模拟过程中，两类电子的传输过程和损耗效果。非晶态氧化层是纳米粒子在氧气中，多重氧化的结果。這一结果是我们在试验中进行试验过的，纳米铜离子氧化膜的极限薄厚度是温和的。纳米粒子中，原子电子的电荷分布是随着氧粒子数量的变化而变化的。
2.2纳米粒子和铝粒子
纳米粒子在氧化中形成的氧化膜在实验过程中产生的裂纹，在实验研究中得到证实。分子动力学的模拟效果得到证实。由于团簇聚集效应，在四面体网络中形成中性渗透效果，氧原子和氯原子的内外定向扩散均受到阻隔，从而在表面形成稳定的氧化物
2.3晶界和纳米的关系
纳米多晶界由于具有完整的立方结构，但并不是完全无序，不同粒径样品的晶界能量略高于纳米能量存在畸变，粒径减小则纳米体积增大。
2.3.1一维状态的纳米计算机模拟
一维纳米是组成机械系统的结构部件，实验结果和理论设想
被广泛关注，力学实验过程和条件受到制约，导致纳米尺度下的计算机模拟原子粒子演化为纳米的过程，受到一定程度影响。
2.3.2二维状态的金属纳米薄膜模拟
纳米薄膜在制备研究过程中，会观测到许多薄膜生长现象，这需要在理论上给予合理解释。实验家们假设每个原子在运动过程中产生的扩散、撞击、堆砌的现象得到验证。这就要求薄膜的生长机制、制备材料、制备功能均得到很好的工艺条件提供，这一切均由计算机的纳米薄膜模拟来实现。
3 计算机模拟研究显现的问题
纳米金属材料被看作独立的研究单元，然后应用经典力学或，利用固体理论预测纳米金属材料的微观结构和性能。
（1）力学第一性原理的原子间相互作用势描述粒子间的作用。但是复杂的相互作用势将在构建或使用原子问相互作用，又能在计算上切实可行的相互作用势。
（2）对纳米金属材料含有金属、金属氧化物、氧化物等多原子的体系，原子间的运动都耦合在一起，每个原子的运动方程进多选用有限差分方法来求解，虽然计算机技术进步迅速，但是单凭提高单个CPU的计算速度还不是一种有效提高计算能力的方法。
（3）目前最常用的统计量对于研究者将宏观现象与微观轨迹联系起来，是计算机模拟处理将是一个复杂的过程，其关键问题是分析体系的结构.定义一个合适的统计量是一个消耗大量研究工作时间的过程。
（4）如何正确对待计算机模拟的成果就是体现现有的软件是如何研究面对的问题。从事纳米金属材料的研究人员更关心建立模拟模型。
4 纳米金属材料界面的模型研究
纳米边界的扩散状态，在很大程度上，对材料的宏观性能有持续影响。纳米尺寸越小，界面的分量会更大，并且在界面中大量的循环粒子不断出现，这是固体纳米材料的本态特征。这就说明晶界、多叉晶界及单数晶界构成了纳米的晶材料。晶界、三叉晶界是、四方晶界被顺序覆盖在这个点上，共同构成整体。三维纳米材料的组合模型，如图1所示。
得到晶界的体积分数和纳米尺寸的函数，如图2所示。
4.1 几种修正的模型
理论支持下，纳米尺寸导致错位间不对称而引起了纳米的移动滑侧面，由于形成不了错位的挤塞，导致纳米材料的异形过程无法基于解释。所以纳米的临界尺寸中的极限公式被计算出，对于金属类别相同的值，表1中对于各自的几何平均值进行估值，得到了金属临界值的最小值和最大值。
4.2几何平均值建立的模型表达式
表达式为：
σ nc =σ c +3（σ gb -σ c） x +3（σ tl -2 σ gb +σ c） x2+（σ qn -3σ tl +3σ gb -σ c） x3 （ 2）
或者写成：
σ nc =σ c +6β（ σ gb -σ c） d -1/2 +12β2（σ tl -2σ gb +σ c） d - 1 +8β3（σ qn -3σ tl +3σ gb -σ c） d - 3/2 （ 3）
其中：β為一常数；x=Δ/（l+Δ），Δ为晶界宽度，l为晶内宽度，Δ=βd1/2.可看出，式（2）是x的三次方程，在x的有效范围内（0 ①斜率变小，满足 σqn>σ tl ， σ qn -σ tl <σ tl -σ gb ②斜率变小，出现负斜率，满足 σ qn <σ tl ， σ qn -σ tl <σ tl -σ gb ③斜率为负，存在一拐点，其后强度减小的速率减慢，满足 σqn<σ tl ， σ qn -σ tl >σ t l -σ gb ④负斜率继续存在，但最后强度会增加，满足 σ qn >σ tl ， σ qn -σ tl >σ tl -σ gb 后3种情况表现出纳米尺寸软化效应，第4种有转变.在一定条件下，σ-x曲线没有出现负斜率。根据实验条件的不同，结果应当符合上述某种情况，纳米尺寸软化效果变化，如图3所示。 Wang的模型中，临界尺寸dc有一个最大值和一个最小值，还有一个估计值，对于这个估计值没有给出定量的计算方法.Kim[22]的复合模型表达式为 H =（ H0 +kd -1/2） fcr +Hic（ 1 -f cr）， d ≥dc （ H0 +kd - c 1/2） fcr +Hic（ 1 -f cr）， d ≤dc （ 4） 由上式可得出，H存在一个最大值，此时，d=dpeak，dpeak可由计算得到，如下算式： 如式（ 5）： dpeak = 3wk （ H0 -Hic-fcr）（ 5） 其中：fcr是指体积分数；w宽度.当dc>dpeak时，偏离H-P关系的现象会出现，斜率k变小；当dc 图4纳米纳米的简化结构 推导出σy与d的关系为： σ y =-4k2 m（ 2σ gb -σ g -σ tj） d -1 +4km（σ gb -σ g） d -1/2 +σ g （ 6） 其中km=k/4（σgb-σg），k为H-P斜率.式（6）是d-1/2的二次方程，由此可得到临界值d0=4k2m（2σgb-σg-σtj）2（σgb-σg）2，对于Fe，Cu，Ni-P合金。当d≥d0时，正H-P关系成立.当d 5 计算机模拟研究需要解决的问题 原子级模拟技术是现今纳米金属材料计算模拟方法的支撑技术，他综合了纳米金属材料构成原子的多个个体，将原子金属单元进行规律性描述后，确定为各自的独立个体，形成规律后便可确定金属材料的微观构成。但是纳米金属材料构成粒子的结构本身便非常复杂，对周围环境变化反应十分迅速，随机性极强，所以无法用相关技术进行模拟获得。 5.1模拟算法的确定 纳米金属材料的动力学模拟过程中，不仅包括纳米金属材料本身，更需要包括金属氧化物、普通属化物等多个粒子体系实验对比体。原子间的作用是多体的不规则变化效应，在这个过程中，所有粒子会聚集在一起，无法用独立的解析公式来解析。这时，有限差分算法便可以求解，目前，蛙跳法，预测法是比较长用的算法。在计算机技术发展迅速的今天，单纯仅仅提高CPU的效率根本无法满足繁琐的计算需求，我们可考虑多层次计算。 5.2要充分考虑粒子间的相互作用 量子力学对于微观粒子的运动轨迹描述是十分有针对性的。但纳米金属材料中的纳米粒子结构和显示性能往往涉及到大量的微观粒子，并且伴随着多体效应，导致用普通的量子力学第一性原理求解并非易事，牛顿定律可以解释大多数的模拟粒子运动过程，因此采用原子间相互作用形势来解释对粒子间的相互作用是十分有教学意义的。可以合理的解决教学过程中的大多数问题和大多数的各种关联。在协调好各力的前提下，将纳米金属材料的各种应用问题，计算机模拟过程中的各种条件和问题解决完毕。 6 结语 计算机模拟技术在材料科学研究领域的应用越来越广泛，已经成为材料研究人员的一个强有力的工具，本文提出的模型还需要从材料的微观变形方面来解释，而且在用晶化法制备的纳米晶合金中，不存在明显的三叉晶界，对于这些问题，还需做深入探究。可以相信，随着更多材料科学家自觉利用计算机提高其研究工作水平，計算机模拟这样一种功能强大而又经济易得的新工具将能更大范围地拓展我们对纳米金属材料的认知领域，进而可以另纳米金属材料应用于更多的研究领域，对人类未来进行更多引领，产生更多贡献。 参考文献 [1]罗志荣.金属材料微观组织结构演化的相场法研究[D].南宁：广西大学，2013. [2]李小凡.纳米结构Mo与FeAl单轴拉伸特性的分子动力学模拟[D].长沙：湖南大学，2011. [3]马磊，钟颖，文晓霞.单晶纳米金属材料拉伸的分子动力学研究进展[J].材料导报，2011，（S1）：10-13. [4]王露萌.双晶材料纳米压痕初始塑性变形行为的跨尺度模拟与实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.1ChristensenA [5]卢柯，刘学东，胡壮麒.纳米晶体材料的Hall-Petch关系[J].材料研究学报，1994，8（5）：385-391. [6]周丽丽.液态金属铅凝固过程中微观结构演变特性的模拟研究[D].长沙：湖南大学，2012. [7]周怡，张英.Java程序设计案例教程（第二版）[M].北京：清华大学出版社，2014. [8]李瑞生.Java教学中学生实践和创新能力的培养[J].计算机教育，2011，（18）：51-55.