随着全球信息产业的快速发展,各种电子产品对锂离子电池的性能有了更高的要求,尤其是电池容量。硅基负极材料以较高的理论储锂容量吸引了锂离子电池研究者们的广泛关注。但形成锂硅合金过程中出现的较大体积膨胀使得硅负极中存在较多裂纹,造成电极剥落失效,限制了其商业化应用。本文利用分子动力学方法从微观尺度对硅中裂纹的扩展规律进行了研究。从原子尺度对硅中裂纹的扩展过程及位错对裂纹扩展的影响进行了解释。计算结果与文献的实验结果基本一致,验证了分子动力学方法在研究硅中裂纹扩展的准确性。本文首先利用分子动力学方法,采用COMB势函数计算了硅晶体(111)面、(110)面和(100)面的表面能。发现(111)拖动型面的表面能(1.2J?m-2)在所有的计算结果中最低,即硅晶体(111)拖动面是第一解理面。另外,(111)滑动型面的表面能(4.14J?m-2)在所有的计算结果中最高,即裂纹扩展最困难的面。由于晶体结构的特点,(110)面没有滑动型和拖动型之分,其计算结果(1.523J?m-2)比(111)面稍大,为硅晶体裂纹扩展的第二解理面。拖动型和滑动型(100)面的表面能相等,都为较大的2.27J?m-2,相对于其他两个表面,扩展的可能性较小。以上结论与利用S-W和Tersoff势函数所得到的结论一致,并且与其他文献的实验结果吻合较好,验证了本文所采用的方法在硅中裂纹扩展研究中的正确性。其次,分别在不同的温度和加载速率的条件下,研究了硅中裂纹在(111)面和(110)面的扩展路径以及弯折过程,从微观尺度揭示了裂纹扩展过程的基本原理,发现裂纹尖应力集中使得尖端原子的应力最大。当该处应力达到断裂扩展的临界应力时,裂纹向前扩展一个晶格,形成新的裂纹尖端和应力集中。另外,计算得到了硅中裂纹的扩展速度,发现在相同的温度下,扩展速度随着加载速率的提高而近似直线上升;加载速率恒定的条件下,随着系统温度的升高,裂纹的扩展速度也会变快,但是裂纹扩展的规律也愈复杂多变。通过裂纹在(111)面和(110)面的扩展过程的比较发现,裂纹在表面能最小的(111)面沿直线扩展,在表面能比较小的(110)面扩展时,容易向表面能更低的(111)面偏折,这与裂纹扩展的理论分析结论一致。最后,本文利用分子动力学方法研究了重构缺陷、30°部分位错和90°部分位错对硅中裂纹扩展的影响。发现重构缺陷的存在,改变了裂纹尖端应力集中原子的位置,使得裂纹向重构缺陷所在的下层(111)面进行偏折,改变了扩展路径。另外,30°部分位错和90°部分位错所在位置由于原子的错排,在该处存在着与完整晶体不同的应力场,使得原本直线扩展的裂纹在位错应力场附近发生弯折。不同的是,30°部分位错的存在导致位错所在的原子层原子键键能变弱,而90°部分位错的存在导致相距一个原子层的原子键键能变弱。两种位错对裂纹的影响都存在临界距离,超过两个原子层距离,位错便不会对裂纹扩展造成影响。另外,加载速率对30°部分位错对裂纹扩展有影响,加载速率越大,位错对裂纹扩展影响的范围越小;而加载速率对90°部分位错对裂纹的扩展没有影响。