摘 要：本文对TKX-50Ⅰ（8×4×7）和TKX-50Ⅱ（24×4×7）超晶胞模型进行分子动力学模拟，基于弹性力学原理计算TKX-50的力学性能。结果表明，晶体模型的大小对其力学性能没有影响。通过非平衡动力学模拟的拉伸形变得到的杨氏模量与基于弹性力学原理计算的杨氏模量相吻合;在TKX-50的内部应力达到最大之前，体系仍能保持晶体结构，继续拉伸，应力会突然降低，TKX-50会发生断裂。
关键词：TKX-50;力学性能;分子动力学模拟;拉伸形变
1 方法
1.1 模型的构建
TKX-50单晶胞的结构参数取自文献的实验值。为了比较晶体模型的大小对力学性能的影响，构建2种不同大小（8×4×7、24×4×7）的TKX-50超晶胞，分别记为TKX-50Ⅰ和TKX-50Ⅱ。
1.2 平衡动力学模拟
力场参数参照An等的描述。为了获得模型的平衡结构，分别在NVE、NVT和NPT系综下对TKX-50Ⅰ和TKX-50Ⅱ超晶胞进行分子动力学模拟，计算其力学性能。所有的模拟过程均使用LAMMPS软件完成。范德华力和静电力的截断半径为12，范德华力采用LJ势能函数（其交互参数采用混合规则），静电力采用Ewald计算方法。首先在NVE系综下使用verlet积分器模拟500ps（时间步长0.1fs）;然后在NVT系综下使用rRESPA多尺度时间迭代模拟5ns（时间步长1fs），得到NVT平衡结构;接着在NPT系综下模拟5ns（时间步长1fs），得到NPT平衡结构。采用Nosé-Hoover方法控制温度为298k，同时控制斜晶系的6个压力分量。
1.3 非平衡动力学模拟
对NVT系综模拟后的TKX-50Ⅰ模型的平衡结构进行沿z轴拉伸的非平衡动力学模拟，工程应变率为1×10-6，
模拟时间1ns，即最大应变为1;对NPT系综模拟后的TKX-50Ⅱ模型的平衡结构进行沿x轴拉伸的非平衡动力学模拟，工程应变率为5×10-7，模拟时间1ns，即最大应变为0.5。拉伸形变模拟过程中控制其他两个边的边长不变，绘制应力--应变曲线，从初始点到屈服强度的过程符合线性弹性形变，遵循胡克定律。
2 结果与讨论
2.1 模拟后的平衡结构
只有当体系经过分子动力学模拟达到平衡后，分析其力学性能才有意义。TKX-50Ⅰ和TKX-50Ⅱ在NPT系综模拟后的平衡结构，在NVT和NPT系综模拟后的温度和势能随时间变化的波动曲线。
2.2 力学性能
杨氏模量E与材料抵抗弹性形变的能力有关，E值越小，表明材料的弹性越好;剪切模量G越小，表明材料的塑性越好;体积模量K表征材料断裂强度，K值越小，表明材料的断裂强度越小;K/G值越小，表明材料的延展性越好。利用Voigt和Reuss理论方法，基于弹性力学原理计算TKX-50的弹性力学性能参数KV、KR、GV、GR、EV、ER和泊松率μV、μR，将两种理论的计算结果进行算术平均，得到TKX-50的力学性能参数K、G、E和泊松率μ，2种模型在NVT和NPT系综模拟下的弹性模量、泊松率和K/G值的变化规律相同，即NVT系综模拟下的弹性模量、泊松率和K/G值均高于NPT系综模拟结果;与NVT系综模拟相比，NPT系综模拟下的弹性、塑性和延展性增强，刚性降低，强度降低，泊松率降低0.02。
2.3 应力--应变曲线和微观形变行为
对应力--应变曲线进行线性拟合，得到应变为0～0.05之间的曲线斜率，即拉伸杨氏模量。TKX-50Ⅰ在NVT系综模拟下的拉伸杨氏模量为27.91GPa，与基于弹性力学的计算值25.75GP较接近，且拟合的相关系数趋于1;TKX-50Ⅱ在NPT系综模拟下的拉伸杨氏模量为18.49GPa，與基于弹性力学的计算值23.56GPa相差不大，且线性相关性好。基于弹性力学理论计算了2种不同大小的TKX-50超晶胞分别在NVT和NPT系综模拟下的力学性能。结果表明：TKX-50Ⅰ和TKX-50Ⅱ在同种系综模拟下的力学性能几乎相同，晶体模型的大小对材料的力学性能没有影响;相比于NVT系综模拟平衡体系，TKX-50在NPT系综模拟下得到的平衡体系的弹性模量、泊松率和K/G值降低，在NPT系综平衡模拟后体系的弹性塑性增强，刚性脆性和强度降低。利用非平衡拉伸模拟得到了材料形变的应力--应变曲线和形变的微观行为。
3 结论
结果表明，通过拉伸形变计算的杨氏模量与基于弹性力学理论计算的杨氏模量相吻合，从而证明了利用拉伸形变计算力学性能的可靠性;TKX-50拉伸过程中的微观行为可以表征其力学性能，在应力达到最大之前，材料内部保持晶体结构，分子有序排列;继续拉伸，材料内部应力突降，晶体发生断裂。本研究从微观尺度的材料拉伸形变研究了TKX-50的力学行为，也为计算和预测含能材料的力学性能提供了理论指导。
参考文献：
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