黏土纳米尺度裂纹的分子动力学模拟
材料科学
2022-01-19 v1 地球物理
摘要
黏土中的裂纹在岩土与环境工程中具有重要意义(例如堤坝侵蚀与垃圾填埋覆盖系统的稳定性)。本文通过全尺度分子动力学模拟研究黏土纳米尺度裂纹的成核与扩展机制。所采用的黏土为叶蜡石,力场为 CLAYFF。在单轴拉伸与简单剪切条件下评估叶蜡石黏土层的裂纹形成。数值结果表明,纳米尺度叶蜡石黏土层的裂纹呈脆性且依赖于应变率。较小应变率导致较低的极限拉伸/剪切强度。随着应变率增大,黏土裂纹由单裂纹模式转变为多裂纹模式。从原子尺度键断裂分析探究了开裂机制。发现首次键断裂发生于硅-表面氧键。随着裂纹扩展,断裂的硅-表面氧键相对占比相较于其它金属-氧相互作用最小,表明硅与表面氧原子间的原子相互作用最强。为理解裂纹扩展,我们还研究了叶蜡石在原子尺度下的应力强度因子与能量释放率及其尺寸依赖性。
引用
@article{arxiv.2201.05969,
title = {MD modeling of cracks in clay at the nanoscale},
author = {Zhe Zhang and Xiaoyu Song},
journal= {arXiv preprint arXiv:2201.05969},
year = {2022}
}