分子动力学模拟研究未冻水对冰晶体力学性质的影响

冰力学性质的研究在冻土工程、冰工程中都占据极其重要的地位，冰中未冻水含量的变化会导致冰整体性质随之改变。目前，在微观分子尺度上针对冰中未冻水含量控制因素方面的研究尚不充分。本研究通过分子动力学方法模拟了5种温度、3种应变速率、4种晶粒尺寸、3种升温速率下单晶冰与多晶冰的单轴拉伸与压缩试验，研究了不同影响因素下冰晶体力学性质及内部的微观结构变化，揭示了分子尺度上未冻水在冰晶体变形过程中的产生过程与变化规律，以及未冻水比例对冰晶体力学性质影响的内在机理。模拟结果显示，单晶冰力学性质与未冻水比例间的关系不显著，与冰晶体六元环结构的破损程度直接相关。此外，力学性质受温度、应变量、应变速率等多因素影响，且在拉伸和压缩过程中单晶冰均表现出明显脆性破坏，其强度随温度降低和应变速率加快而增强。相比之下，多晶冰力学性质与未冻水比例变化密切相关，且未冻水比例主要受温度、晶粒大小及其界面状态控制。而且，多晶冰对温度和应变速率更敏感，说明晶界处的结构变化对其力学性能起重要作用。与弹性变形不同，晶界滑移、晶粒旋转、非晶化和再结晶等过程主导多晶冰的塑性变形。