Tension–compression behavior in gold nanoparticle arrays: a molecular dynamics study

材料科学 纳米颗粒 分子动力学 复合材料 极限抗拉强度 位错 微晶 粒度 流动应力 纳米尺度 晶界 纳米技术 应变率 冶金 微观结构 计算化学 化学
作者
Felipe J. Valencia,Nicolás Amigó,Eduardo M. Bringa
出处
期刊:Nanotechnology [IOP Publishing]
卷期号:32 (14): 145715-145715 被引量:7
标识
DOI:10.1088/1361-6528/abd5e8
摘要

The mechanical properties of Au nanoparticle arrays are studied by tensile and compressive deformation, using large-scale molecular dynamics simulations which include up to 16 million atoms. Our results show that mechanical response is dominated by nanoparticle size. For compression, strength versus particle size shows similar trends in strength than full-density nanocrystals. For diameters (d) below 10 nm there is an inverse Hall-Petch (HP) regime. Beyond a maximum at 10 nm, strength decreases following a HP d -1/2 dependence. In both regimes, interparticle sliding and dislocation activity play a role. The array with 10 nm nanoparticles showed the same mechanical properties than a polycrystalline bulk with the same grain size. This enhanced strength, for a material nearly 20% lighter, is attributed to the absence of grain boundary junctions, and to the array geometry, which leads to constant flow stress by means of densification, nanoparticle rotation, and dislocation activity. For tension, there is something akin to brittle fracture for large grain sizes, with NPs debonding perpendicular to the traction direction. The Johnson-Kendall-Roberts contact theory was successfully applied to describe the superlattice porosity, predicting also the array strength within 10% of molecular dynamics values. Although this study is focused on Au nanoparticles, our findings could be helpful in future studies of similar arrays with NPs of different kinds of materials.
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