第3期 吴茂等：金纳米颗粒烧结的分子动力学模拟 ·349· 初始阶段，两个纳米颗粒内部的原子迅速向界面靠 拢，形成一个初始的烧结颈. (a) 图54nm颗粒不同温度阶段原子运动矢量图.(a)AB:(b) BC:(e)CD:(d)DE 图66nm颗粒不同温度阶段原子运动矢量图.(a)AB:(b) Fig.5 Vector fields of atom movement in different temperature ran- BC:(e)CD:(d)DE ges for 4-m Au particles:(a)AB:(b)BC:(c)CD:(d)DE Fig.6 Vector fields of atom movement in different temperature ran- ges for 6-m Au particles:(a)AB:(b)BC:(e)CD:(d)DE 固相烧结应当从颗粒间形成接触开始.图3所 示的烧结颈生长曲线和图4所示的回转半径曲线均 料的屈服应力而使塑形流动停止.Samsonov认为无 表明，当两个纳米Au颗粒开始接触时会迅速形成 论压制或烧结，粉末颗粒表面之间的接触机制都是 一个烧结颈.传统的烧结理论把颗粒之间形成一定 一样的，表面之间形成接触的根本原因是发生了电 接触后的颈长叫做第一阶段或烧结初期阶段.所谓 子交换作用，电子交换作用的结果是使体系的能量 烧结初始阶段，就是指颗粒在某种吸引力的作用下， 降低a.Zhu和Averback [o]认为两个金属颗粒之 自发形成颈部的阶段.使两个固体表面自发形成接 间的接触形成颈是由于颗粒的弹性变形引起的，并 触的吸引力包括范德华力、静电力、金属键合力、电 计算出当两个2.4nm的Cu纳米颗粒接触时，形成 子作用力和有液相存在的表面张力作用下的附加 的接触颈的最大值为0.8nm. 力.1947年，Shelar在其博士论文中建立了金属表 本文在模拟过程中，两个Au纳米颗粒的初始 面之间电子交互作用的电子云模型，他认为如果 距离为0.5nm.由此可以预见，两个纳米颗粒之间 两个金属表面相距几百个原子间距之内，一方的电 存在强烈的吸引力，所以各种粒径的纳米颗粒接触 子云被对方金属表面的正离子层相吸引，从而使两 时，均会形成一定宽度的烧结颈 个表面相互吸引.比如相距3m的两个铜颗粒表 2.3.2稳定颈长阶段 面，相互吸引力大致为827MPa,这种巨大吸引力可 传统烧结理论认为，烧结驱动力来源于烧结体 能会导致接触区的塑性变形而增大接触面积，随着 系总表面能的减小.一般来讲，烧结前存在于粉末 接触面积的增加，吸引力会逐渐减小，直至其低于材 的过剩自由能（包括表面能和晶格畸变能）较高，因第 3 期 吴 茂等: 金纳米颗粒烧结的分子动力学模拟 初始阶段，两个纳米颗粒内部的原子迅速向界面靠 拢，形成一个初始的烧结颈． 图 5 4 nm 颗粒不同温度阶段原子运动矢量图． ( a) AB; ( b) BC; ( c) CD; ( d) DE Fig． 5 Vector fields of atom movement in different temperature ran￾ges for 4-nm Au particles: ( a) AB; ( b) BC; ( c) CD; ( d) DE 固相烧结应当从颗粒间形成接触开始． 图 3 所 示的烧结颈生长曲线和图 4 所示的回转半径曲线均 表明，当两个纳米 Au 颗粒开始接触时会迅速形成 一个烧结颈． 传统的烧结理论把颗粒之间形成一定 接触后的颈长叫做第一阶段或烧结初期阶段． 所谓 烧结初始阶段，就是指颗粒在某种吸引力的作用下， 自发形成颈部的阶段． 使两个固体表面自发形成接 触的吸引力包括范德华力、静电力、金属键合力、电 子作用力和有液相存在的表面张力作用下的附加 力． 1947 年，Shelar 在其博士论文中建立了金属表 面之间电子交互作用的电子云模型［16］，他认为如果 两个金属表面相距几百个原子间距之内，一方的电 子云被对方金属表面的正离子层相吸引，从而使两 个表面相互吸引． 比如相距 3 nm 的两个铜颗粒表 面，相互吸引力大致为 827 MPa，这种巨大吸引力可 能会导致接触区的塑性变形而增大接触面积，随着 接触面积的增加，吸引力会逐渐减小，直至其低于材 图 6 6 nm 颗粒不同温度阶段原子运动矢量图 . ( a) AB; ( b) BC; ( c) CD; ( d) DE Fig． 6 Vector fields of atom movement in different temperature ran￾ges for 6-nm Au particles: ( a) AB; ( b) BC; ( c) CD; ( d) DE 料的屈服应力而使塑形流动停止． Samsonov 认为无 论压制或烧结，粉末颗粒表面之间的接触机制都是 一样的，表面之间形成接触的根本原因是发生了电 子交换作用，电子交换作用的结果是使体系的能量 降低［16］． Zhu 和 Averback［10］认为两个金属颗粒之 间的接触形成颈是由于颗粒的弹性变形引起的，并 计算出当两个 2. 4 nm 的 Cu 纳米颗粒接触时，形成 的接触颈的最大值为 0. 8 nm． 本文在模拟过程中，两个 Au 纳米颗粒的初始 距离为 0. 5 nm． 由此可以预见，两个纳米颗粒之间 存在强烈的吸引力，所以各种粒径的纳米颗粒接触 时，均会形成一定宽度的烧结颈． 2. 3. 2 稳定颈长阶段 传统烧结理论认为，烧结驱动力来源于烧结体 系总表面能的减小． 一般来讲，烧结前存在于粉末 的过剩自由能( 包括表面能和晶格畸变能) 较高，因 · 943 ·