[發明專利]一種三維網狀碳化硅基陶瓷的模擬方法

無效

• 申請號: 201310099664.3
• 申請日: 2013-03-26
• 公開（公告）號: CN103235840A
• 公開（公告）日: 2013-08-07
• 發明（設計）人: 廖寧波;薛偉;周宏明;張淼
• 申請（專利權）人: 溫州大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 杭州新源專利事務所(普通合伙) 33234
• 代理人: 李大剛

技術領域

本發明涉及一種材料的模擬方法，尤其是一種三維網狀碳化硅基陶瓷的模擬方法。

背景技術

隨著近代超音速飛機、火箭、人造衛星以及原子能等尖端新技術的發展，相應的工作條件日益嚴格，對材料耐高溫及超高溫、耐腐蝕、抗震動、抗疲勞、抗溫度急變以及耐火焰沖刷等性能要求越來越高。碳化硅（SiC）具有高硬度、優越的耐腐蝕性以及良好的導熱性能，還具有比硅優越得多的熱穩定性和耐高溫性，是一種重要的高溫結構材料。SiC薄膜作為保護層多應用于微轉動器件的接合部分，如微齒輪、微馬達等，或是高溫和腐蝕性環境中。然而，SiC涂層也存在缺陷密度較大和與金屬之間附著力較小等問題。一些新型SiC基陶瓷如SiCN、SiCO等既保持SiC所具有的耐磨和耐高溫性能，同時具有更好的附著性能或抗氧化性能。然而，目前SAXA、NMR和X射線衍射等實驗測試手段對于SiC基耐高溫陶瓷的研究仍遇到一定困難，一些材料的結構信息（例如其特有的nano-domain結構的成分）尚未弄清，而結構-特征關系對材料的分析設計而言是至關重要的。

傳統的材料設計主要采用試驗分析和經驗設計的方法，由于各種測量方法存在周期長、費用高等局限性，要想通過大量的測試研究來尋求最佳設計是非常困難的。隨著計算機技術的發展，將數值模擬技術應用到涂層的設計當中可以更好地解決傳統設計方法存在的問題。分子動力學（Molecular?Dynamics，MD）是應用最為普遍的建模和模擬方法，它對于許多在理論分析和實驗觀察上都難以了解的現象作出一定的微觀解釋，可以模擬得到某些極限條件以及實驗無法實現情況下體系的一些信息。基于實驗提供的結構信息，美國普渡大學的Tomar教授用分子動力學方法建立了SiCO/SiCN的模型并進行了力學特性研究，其方法的缺點是模型需要實驗提供結構信息，不能對結構進行預測。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種三維網狀碳化硅基陶瓷的模擬方法。本發明可以由完全隨機的初始結構生成符合實驗結果的三維模型，并可分析得到準確的材料力學特性，能真實展現材料的各項特征，利用此方法能更有效的對材料進行分析及設計，提高材料設計的效率并大大降低設計成本。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案如下：一種三維網狀碳化硅基陶瓷的模擬方法，其特征在于，按下述步驟進行：

①建立三維網狀碳化硅基陶瓷的初始模型；

②確定勢能函數及參數；

③利用melt-quench方法生成三維網狀碳化硅基陶瓷的結構模型；

④采用準靜態拉伸方法判斷三維網狀碳化硅基陶瓷的力學特性。

前述的三維網狀碳化硅基陶瓷的模擬方法中，按下述步驟進行：

①根據要求的模型尺度、配比成分和原子類型來確定模型的盒子尺寸和總原子數，將每個原子由三維坐標值來表示，用三個精確到小數點后兩位的數字表示原子的空間坐標作為原子序號，并通過序號表示原子類型，從而建立分子運動學模型；

②根據三維網狀碳化硅基陶瓷類型確定同種原子相互作用的Tersoff勢能函數參數，并根據混合法確定不同原子間的相互作用參數；

③確定melt-quench方法中的加熱最高溫度、次高溫度、降溫速率和弛豫時間，從而產生三維網狀碳化硅基陶瓷的結構模型；

④采用準靜態拉伸加載方法對結構模型中的參數進行力學特性判斷，確定每步加載的應變量、動力學系綜類型、溫度、壓力、弛豫時間，并通過拉伸過程中得到的應力和應變參數得到強度極限和楊氏模量參數。

前述的三維網狀碳化硅基陶瓷的模擬方法中，所述的產生三維網狀碳化硅基陶瓷的結構模型的方法按下述步驟進行：

（1）確定截斷半徑參數和仿真時間步長，賦予模擬初始勢能U，進而初始化分子運動學模型內原子的速度；

（2）執行仿真循環，對于每次循環，利用勢函數計算原子間的作用力和總勢能，并更新原子的位置和速度；

（3）執行仿真循環后，存儲當前時刻原子的三維位置坐標、速度和總勢能參數。

前述的三維網狀碳化硅基陶瓷的模擬方法中，所述的三維網狀碳化硅基陶瓷是SiCO、SiCN、SiBCN或SiBCO。