ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ДЕФЕКТОВ НА ЭЛАСТИЧНОСТЬ ДЕФОРМИРОВАННОГО ПРИ РАСТЯЖЕНИИ АЛМАЗА

В данной работе в рамках классической молекулярной динамики исследована диаграмма деформирования алмаза при растяжении, ориентированном в направлении [111], в области температур от 1 до 1700 К. Рассмотрены идеальная структура алмаза, а также структура, содержащая относительно высокую концентрацию дефектов. Для изучения эластичности получаемых при различной температуре при растяжении структур проведено анизотропное моделирование при атмосферном давлении и рассчитаны величины деформации и плотности структуры во времени. Показана эластичность обеих структур в широком диапазоне величин деформации, характерных для каждого значения температуры. Также показана возможность достижения алмазом пластического состояния в узкой области величины растяжения перед полным разрушением в области высоких температур. При температуре ≤ 500 K алмаз сохраняет чисто упругое поведение вплоть до разрушения. При температурах выше 700 K вблизи предела прочности наблюдаются признаки локальной пластической деформации в виде плавного изгиба кривой напряжение–деформация. При T ≥ 1600 K идеальная структура разрушается уже на этапе эквилибрирования, что является  признаком начала графитизации. Наличие точечного дефекта снижает прочность и предельные деформации, и структура разрушается при более низких напряжениях при T ≥ 1300 K.

1. Sundqvist, B. (2021). Carbon under pressure. Physics Reports, 909, 1-73.

2. Field, J. E. (2012). The mechanical and strength properties of diamond. Reports on Progress in Physics, 75(12), 126505.

3. Evans, T., & James, P. F. (1964). A study of the transformation of diamond to graphite. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 277(1369), 260-269.

4. Wilks, J., & Wilks, E. (1991). Properties and applications of diamond. Butterworth-Heinemann, Oxford, 1991, pp. 214–227.

5. Gogotsi, Y. G., Kailer, A., & Nickel, K. G. (1999). Transformation of diamond to graphite. Nature, 401(6754), 663-664.

6. Weidner, D. J., Wang, Y., & Vaughan, M. T. (1994). Strength of diamond. Science, 266(5184), 419-422.

7. Eremets, M. I., Trojan, I. A., Gwaze, P., Huth, J., Boehler, R., & Blank, V. D. (2005). The strength of diamond. Applied Physics Letters, 87(14).

8. Lin, Y., Zhang, L., Mao, H. K., Chow, P., Xiao, Y., Baldini, M., Shu, J., & Mao, W. L. (2011). Amorphous diamond: a high-pressure superhard carbon allotrope. Physical Review Letters, 107(17), 175504.

9. Solopova, N. A., Dubrovinskaia, N., & Dubrovinsky, L. (2013). Raman spectroscopy of glassy carbon up to 60 GPa. Applied Physics Letters, 102(12).

10. Yao, M., Fan, X., Zhang, W., Bao, Y., Liu, R., Sundqvist, B., & Liu, B. (2017). Uniaxial-stress-driven transformation in cold compressed glassy carbon. Applied Physics Letters, 111(10).

11. Chacham, H., & Kleinman, L. (2000). Instabilities in diamond under high shear stress. Physical review letters, 85(23), 4904.

12. Telling, R. H., Pickard, C. J., Payne, M. C., & Field, J. E. (2000). Theoretical strength and cleavage of diamond. Physical Review Letters, 84(22), 5160.

13. Ruoff, A. L. (1979). On the yield strength of diamond. Journal of Applied Physics, 50(5), 3354-3356.

14. Vidable, G. G., Gonzalez, R. I., Valencia, F. J., Amigo, N., Tramontina, D., & Bringa, E. M. (2022). Simulations of plasticity in diamond nanoparticles showing ultrahigh strength. Diamond and Related Materials, 126, 109109.

15. Felix, L. C., Tromer, R. M., Woellner, C. F., Tiwary, C. S., & Galvao, D. S. (2022). Mechanical response of pentadiamond: A DFT and molecular dynamics study. Physica B: Condensed Matter, 629, 413576.

16. Zhou, J., Li, Y., Lu, C., Li, H., Zheng, W., Ma, Y., Gao, Z., Yang, J., & He, Y. (2022). Molecular dynamics simulation of the tensile response and deformation mechanism of diamond/TiC combinations. Computational Materials Science, 215, 111779.

17. Huang, C., Peng, X., Yang, B., Chen, X., Li, Q., Yin, D., & Fu, T. (2018). Effects of strain rate and annealing temperature on tensile properties of nanocrystalline diamond. Carbon, 136, 320-328.

18. Thompson, A. P., Aktulga, H. M., Berger, R., Bolintineanu, D. S., Brown, W. M., Crozier, P. S., Veld, P. J., Kohlmeyer, A., Moore, S. G., Nguyen, T. D., Shan, R., Stevens, M. J., Tranchida, J., Trott, C., & Plimpton, S. J. (2022). LAMMPS-a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales. Computer physics communications, 271, 108171.

19. Hirel, P. (2015). Atomsk: A tool for manipulating and converting atomic data files. Computer Physics Communications, 197, 212-219.

20. O’connor, T. C., Andzelm, J., & Robbins, M. O. (2015). AIREBO-M: A reactive model for hydrocarbons at extreme pressures. The Journal of chemical physics, 142(2).

21. Rozhkov, M. A., Kolesnikova, A., & Romanov, A. (2024). Comparison of Interatomic Potentials for Modeling Defects in Graphene Using Molecular Dynamics. Rev. Adv. Mater. Technol., 6, 35-42.

22. Shenderova, O. A., Brenner, D. W., Omeltchenko, A., Su, X., & Yang, L. H. (2000). Atomistic modeling of the fracture of polycrystalline diamond. Physical Review B, 61(6), 3877.

23. Zhan, H., Zhang, G., Tan, V. B., Cheng, Y., Bell, J. M., Zhang, Y. W., & Gu, Y. (2016). From brittle to ductile: a structure dependent ductility of diamond nanothread. Nanoscale, 8(21), 11177-11184.

24. Baimova, J. А., Rysaeva, L. K., & Rudskoy, A. I. (2018). Deformation behavior of diamond-like phases: Molecular dynamics simulation. Diamond and Related Materials, 81, 154-160.

25. Peng, Q., Chen, G., Huang, Z., Chen, X., Li, A., Cai, X., Zhang, Y., Chen, X. J., & Hu, Z. (2024). Molecular Dynamics Insights into Mechanical Stability, Elastic Properties, and Fracture Behavior of PHOTH-Graphene. Materials, 17(19), 4740.

26. Roundy, D., & Cohen, M. L. (2001). Ideal strength of diamond, Si, and Ge. Physical Review B, 64(21), 212103.

27. Luo, X., Liu, Z., Xu, B., Yu, D., Tian, Y., Wang, H. T., & He, J. (2010). Compressive strength of diamond from first-principles calculation. The Journal of Physical Chemistry C, 114(41), 17851-17853.

28. Jensen, B. D., Wise, K. E., & Odegard, G. M. (2015). Simulation of the elastic and ultimate tensile properties of diamond, graphene, carbon nanotubes, and amorphous carbon using a revised ReaxFF parametrization. The Journal of Physical Chemistry A, 119(37), 9710-9721.