[發(fā)明專利]一種陶瓷基復(fù)合材料熱解碳PyC界面模型建立及剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110053066.7
• 申請(qǐng)日: 2021-01-15
• 公開（公告）號(hào): CN112668204A
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫志剛;卞杰;劉晉辰;陳西輝;牛序銘;丁俊杰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F113/26;G06F119/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳國強(qiáng)

1.一種陶瓷基復(fù)合材料熱解碳PyC界面模型建立及剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟(1)、建立PyC界面有序石墨層單元模型：根據(jù)PyC界面層微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)結(jié)果，計(jì)算碳層間距、碳層的堆疊高度、碳層的大小和碳層的有序度，根據(jù)界面結(jié)構(gòu)參數(shù)建立有序類石墨層單元；

步驟(2)、建立PyC界面三維無序結(jié)構(gòu)模型：考慮PyC界面中無定形自由碳和有序碳層并存的實(shí)際結(jié)構(gòu)，將短程有序石墨層單元隨機(jī)組合形成亂層的PyC界面層，然后填充無定形碳直至達(dá)到PyC界面層實(shí)際密度，建立與觀測(cè)結(jié)果一致的三維PyC界面模型；

步驟(3)、建立陶瓷基復(fù)合材料分子動(dòng)力學(xué)模型：在分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件MaterialsStudio中建立纖維和基體結(jié)構(gòu)模型，按基體/PyC界面層/纖維的順序組合成初始模型，根據(jù)陶瓷基復(fù)合材料的制備過程，對(duì)初始模型進(jìn)行弛豫，建立陶瓷基復(fù)合材料最終分子動(dòng)力學(xué)模型；

步驟(4)、模擬陶瓷基復(fù)合材料界面剪切過程：采用勢(shì)函數(shù)模擬原子間相互作用，基于纖維推入試驗(yàn)過程，給纖維外側(cè)原子層施加位移載荷，固定基體底部原子層沿位移方向坐標(biāo)，給定模型邊界條件，推動(dòng)纖維整體移動(dòng)，直至界面完全脫粘，記錄模型的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線，剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值即為PyC界面的剪切強(qiáng)度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷基復(fù)合材料熱解碳PyC界面模型建立及剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(1)的具體步驟如下：

利用X射線衍射XRD和拉曼光譜Raman觀測(cè)PyC界面微觀結(jié)構(gòu)，根據(jù)XRD譜圖和Raman譜圖計(jì)算有序石墨層單元結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算公式如下：

其中，d₀₀₂為碳層間距，λ₁為XRD入射光波長(zhǎng)，θ為XRD譜圖碳峰衍射峰方位角，L_c為碳層堆積高度，κ為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，β為XRD譜圖碳峰半高寬，R為PyC界面的無序度，I_D是Raman譜圖石墨D峰強(qiáng)度，I_G是Raman譜圖石墨G峰強(qiáng)度，L_a是石墨碳層微晶寬度，C為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；

根據(jù)計(jì)算得到的PyC界面有序石墨層單元的碳層間距、碳層堆積高度和碳層尺寸，在分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件Materials Studio的建模模塊中建立有序石墨層單元。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的陶瓷基復(fù)合材料熱解碳PyC界面模型建立及剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(2)的具體步驟如下：

在分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件Materials Studio的Amorphous cell建模模塊中，根據(jù)PyC界面層的有序程度，將類石墨層單元隨機(jī)組合，建立短層有序、長(zhǎng)程無序的類石墨亂層界面結(jié)構(gòu)，然后在模型中填充無定形碳，直至達(dá)到PyC界面實(shí)際密度，建立實(shí)際PyC界面層三維無序結(jié)構(gòu)模型。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的陶瓷基復(fù)合材料熱解碳PyC界面模型建立及剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(3)的具體步驟如下：

根據(jù)陶瓷基復(fù)合材料的纖維和基體原子結(jié)構(gòu)，在分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件MaterialsStudio建模模塊中建立纖維和基體的純晶體結(jié)構(gòu)模型，由于實(shí)際的纖維和基體并非純晶體；因此通過刪除和替換部分原子，調(diào)整軟件自帶的純晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶度，使纖維和基體晶體結(jié)構(gòu)模型的原子比和晶體結(jié)晶度符合材料測(cè)試結(jié)果；按基體/PyC界面層/纖維的順序?qū)⑺霾襟E(2)中建立的實(shí)際PyC界面層三維無序結(jié)構(gòu)模型和所述步驟(3)中建立的纖維和基體的晶體結(jié)構(gòu)模型組合成陶瓷基復(fù)合材料初始分子動(dòng)力學(xué)模型；

在建立了陶瓷基復(fù)合材料初始分子動(dòng)力學(xué)模型后，基于陶瓷基復(fù)合材料的制備過程，利用分子動(dòng)力學(xué)正則NVT系綜，對(duì)陶瓷基復(fù)合材料初始分子動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行弛豫，將溫度設(shè)置為陶瓷基復(fù)合材料制備過程中PyC典型沉積溫度，進(jìn)行第一次弛豫，之后按40K/ps的速率降溫至室溫，在每個(gè)溫度增量下進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬；最后，在室溫下進(jìn)行二次弛豫，形成陶瓷基復(fù)合材料最終分子動(dòng)力學(xué)模型。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的陶瓷基復(fù)合材料熱解碳PyC界面模型建立及剪切強(qiáng)度預(yù)測(cè)方法，其特征在于，所述步驟(4)的具體步驟如下：

以模型長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸，寬度方向?yàn)閅軸，高度方向?yàn)閆軸建立直角坐標(biāo)系，模擬陶瓷基復(fù)合材料PyC界面剪切過程，基于纖維推入試驗(yàn)過程，給纖維外側(cè)原子層施加沿X方向位移載荷，推動(dòng)纖維整體移動(dòng)；并固定基體底部原子層X方向坐標(biāo)，防止陶瓷基復(fù)合材料最終分子動(dòng)力學(xué)模型整體移動(dòng)；采用勢(shì)函數(shù)模擬原子間相互作用；在X+和X-面上設(shè)置非周期性邊界條件，在Y+、Y-、Z+和Z+面上設(shè)置周期性邊界條件；纖維移動(dòng)一段距離之后停止施加位移載荷，保持一段時(shí)間之后重復(fù)施加位移載荷，直到界面完全脫黏，并記錄模型的剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線，剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值即為預(yù)測(cè)的陶瓷基復(fù)合材料PyC界面剪切強(qiáng)度。