负泊松比金属纳米线力学性能的分子动力学研究
摘要
负泊松比材料因其优异的性能在现代生产活动中应用广泛。本文系统地介绍了分子
动力学模拟方法，并利用该方法对面心立方金属纳米线进行了深入研究。研究的目的在
于探讨这种金属材料在轴向加载下的形变机制，以及分析不同因素变化对其力学性能及
泊松比行为的影响。
本文采用大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS）构建了五种面心立方金属（Cu、
Ag、Au、Ni、Al）方形截面纳米线的基本模型，模型尺寸设置为6a×6a×300a，其中a
为各金属的晶格常数。此外，通过转换晶胞方向为每种金属纳米线建立了三种不同晶向
的模型，纳米线轴向分别对应[100]、[110]、[111]晶向，共计十五种模型。
（1）通过对模型在常温300K温度下、以58速率分别进行轴向压缩与拉伸，
?10/s
分析了其在轴向加载过程中的形变机制，并结合晶体内部微观结构的变化，详细地讨论
了其力学性能及泊松比行为的不对称性，并对纳米线的负泊松比行为进行了讨论。五种
金属材料在相同晶向与加载条件下，取向因子的分布大致相同，而屈服强度的比值略有
差异，在[110]晶向下，这种差异最为明显。而在拉伸与压缩两种加载方式下，均会产生
泊松比失稳分叉的行为，而分叉后的负泊松比主要出现在[110]晶向。
（2）随后对模型设置不同温度（0.1K-400K）进行模拟，探讨泊松比与温度的关系。
随着温度升高，纳米线[100]在弹性阶段的泊松比有少量增高，且在[100]、[111]晶向泊松
比的分叉畸变会发生提前，但在给定的温度变化范围内不会产生负泊松比现象；纳米线
[110]在温度范围内最小泊松比均呈现负值，且最小泊松比存在一个临界转换温度。
（3）再对模型设置不同加载速率（8，8，8，8，
5?10/s4?10/s3?10/s2?10/s
8，7）进行模拟。随着应变速率的增加，沿[100]晶向轴向加载时，泊松
1?10/s5?10/s
比的分叉畸变会小幅推迟，在0.5?8加载速率范围内不会产生极端泊松比现象；
510/s
[111]晶向纳米线在特定加载速率下会短暂出现负泊松比行为；而[110]晶向纳米线的最小
泊松比与应变速率满足一定线性关系。
本文的研究结果，为进一步探讨面心立方金属在轴向加载下的负泊松比行为提供了
理论参考。
关键词：力学特性；分子动力学；负泊松比；面心立方金属；纳米线
负泊松比金属纳米线力学性能的分子动力学研究
Abstract
NegativePoissonsratiomaterialsarewidelyusedinmodernproductionactivitiesdueto
theirexcellentproperties.Inthispaper,themoleculardynamicssimulationmethodis
systematicallypresentedandusedtoconductanin-depthstudyofeccentriccubicmetal
nanowires.Theaimofthestudyistoinvestigatethedeformationmechanismofthismetallic
materialunderaxialloading,aswellastoanalyzetheeffectofdifferentfactorvariationsonits
mechanicalpropertie