随着制造工艺的不断发展，微纳尺度金属材料在电子电工、生物医疗、航空航天等领域得到了广泛应用。研究发现，微纳尺度金属材料和常规宏观材料相比，力学性能具有很大差异，呈现出显著的反常规塑性行为^[1-5]。其中纳米铝作为一种新型材料，主要应用于火箭推进剂、液晶显示器、火炸药、太阳能电池铝背等领域。国外有研究报道，在某固体推进剂中，加入纳米铝燃料与同样含量普通微米铝相比，燃烧速率提高70％^[6]。同时，纳米铝棒使制造出可以像乌贼一样变色的超材料成为可能。因此，纳米铝的性能和应用研究对我国国防建设的发展和高科技产品的开发具有重要意义。

2014年9月，美国莱斯大学纳米光子学实验室在《国家科学院学报》上公布了一项全新的彩色显示技术，它能够识别颜色并自动融合到背景中，初步解决了“乌贼皮”显示颜色的难关。通过电子束沉积技术，使数百个铝纳米棒有序阵列排列于每个像素点中，每个铝纳米棒长约100纳米，宽约40纳米。通过改变纳米棒的长度和间距，使像素点显示出明亮艳丽的红、蓝、绿色调。其色彩质量远远高于普通的铝纳米颗像素，效果甚至能与高清液晶屏相媲美，成功解决了现有铝纳米棒技术曾存在的色彩不够艳丽和易褪色问题。这项技术未来有望广泛应用于液晶显示器器领域，代替易褪色和漂白的常用显示器着色剂。

纳米尺度下,材料由离散的原子排列而成，由于比表面积大、表面效应明显，材料的力学性能和力学行为将与宏观材料迥异^[7]。但是纳米铝棒的制备条件十分严苛，由于纳米铝粉极大的比表面积和极高的表面活性，使得纳米铝粉无法在空气中直接使用，同时多达数小时的常规烧结方法将导致晶粒长大，很难获得真正意义上的纳米铝棒状材料^[8]。而在数值模拟方面,随着大量材料的势函数逐渐被精确描述出来,经典分子动力学方法（molecular dynamics , MD）已经成为模拟研究纳米材料力学性能和力学行为的重要手段。对于固体金属材料的变形和破坏机理,可以通过MD模拟从纳米尺度进行详细分析和讨论。

铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，采用电解法制铝成本低、污染小。铝及铝合金重量轻、耐腐蚀，是当前用途十分广泛的、最经济适用的材料之一，对降低生产能耗及成本、推动绿色环保产业发展、保障国家民众安全、促进社会进步具有重要意义。鉴于实验上的困难，通过MD方法模拟纳米尺度的力学性能和行为来探索纳米尺度的一般规律，是进行纳米力学研究的有效方法。

1.2国内外的研究现状

自Richard Feynman于1959年在加州理工学院的演说以来，国内外对纳米金属材料的研究取得了快速发展。

在实验研究方面，孙丽俊等采用真空热压技术将电磁感应加热-自悬浮定向流法制备的铝纳米粉末压制成块体样品。通过X射线衍射等方法分析了铝纳米晶的微观结构，并用四探针法测量了不同温度下样品的电阻率，结果表明因晶界等缺陷和非晶氧化铝杂质对电子的散射，铝纳米晶残余电阻率比粗晶铝电阻率大5-6个数量级^[9]。赵小莲等通过DEFORM-3D有限元软件对大尺寸纯铝棒材的等径角挤压变形过程进行了计算机模拟，获得了材料变形过程的载荷-行程曲线和等效应力、等效应变、等效应变速率及金属流动速度分布情况^[10]。在模拟研究方面，Zhang 等采用不同嵌入原子法(Embedded Atom Method , EAM) 的MD模拟方法，研究了单轴载荷作用下纳米晶Al的力学响应和变形机理，研究表明电势的选择对仿真结果有重要影响^[11]。Liao 等用MD模拟预测了纳米晶粒Al中变形孪晶的形成，结果表明粗晶粒Al不易获得的变形机制在纳米晶粒Al中是活跃的，它们可能是造成纳米材料某些独特力学性能的原因^[12]。黄丹根据纳米力学的研究现状，在采用MD方法模拟纳米金属力学性能和力学行为的基础上，对纳米金属破坏、变形机制、表面效应、尺寸效应以及应变率效应对纳米材料力学性能的影响进行了深入的分析，并初步尝试了将原子间势函数和连续介质力学理论结合起来分析纳米尺度裂纹扩展问题^[7]。林长鹏等利用MD模拟研究了纳米金属Al在粒径为0.8—3.2 nm 时的熔点、密度和声子热导率的变化，发现随着纳米粒径的增大，铝纳米颗粒的密度呈单调递减，热导率则呈线性单调递增，且热导率的变化情况符合声子理论^[13]。此外，左迪利用 MD模拟方法，对多孔 γ–Ti Al单晶沿 [001]晶向拉伸时的力学性能进行了研究，发现温度的增加会降低多孔 γ - TiAl 单晶的力学性能，屈服应力与杨氏模量均随温度的增加呈现降低的趋势^[14]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

(1)文献调研，了解Al纳米棒的研究现状的研究概括和发展趋势，了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系；

(2)学习并掌握微纳米尺度下的计算模拟方法-分子动力学，并构建基于MD模拟的Al单晶纳米棒的模型；