[發明專利]一種氮化物基高溫透波材料微波介電函數的計算方法

在審

• 申請號: 202210464709.1
• 申請日: 2022-04-29
• 公開（公告）號: CN114970322A
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 楊家躍;李志強;張敬義;譚曉瑜;段忻磊
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G16C10/00;G06F119/14
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙) 37247
• 代理人: 姜英昌

本發明公開了一種氮化物基高溫透波材料微波介電函數的計算方法，具體過程為基于第一性原理分子動力學，計算出不同溫度條件下原子的軌跡，受力以及能量信息；結合深度神經網絡對原子能量，位移和受力信息進行訓練擬合出高溫下的深度學習勢；基于深度學習勢進行分子動力學模擬計算得到偶極矩信息，然后基于線性響應理論對體系偶極矩的自相關函數進行傅里葉變換得到極化弛豫時間，進而應用柯爾?柯爾(Cole?Cole)公式計算得到氮化物透波材料的介電函數。本發明實現了高精度大尺度的分子動力學模擬，能夠準確預測大時間尺度極化弛豫過程，且規避了利用經驗勢模擬計算帶來的誤差，極大程度上降低了第一性原理計算的計算時間和運算成本。

技術領域

本發明涉及一種高溫介電常數的計算方法，尤其是一種氮化物基高溫透波材料微波介電函數的計算方法。

背景技術

超聲速飛行技術引起的氣動加熱使熱透波材料表面溫度迅速上升，同時熱量還會向材料內部傳遞，形成沿厚度方向的溫度梯度。溫度、物態和外形的變化會直接引起材料介電性能和透波性能的變化。因具備耐高溫、高強度、透波等優異的綜合性能，氮化物基陶瓷成為高溫透波構件的主要候選材料。但受限于實驗測量困難，導致氮化物透波材料高溫介電參數數據匱乏，無法為實際工程應用提供有利支持。

現有技術中有兩種方法可以計算介電函數，一種是經典分子動力學模擬，該方法利用經驗性的相互作用勢函數計算得到體系的時變系統偶極矩，并基于線性響應理論對系統偶極矩的自相關函數進行傅里葉變換以得到極化弛豫時間，進而應用柯爾-柯爾關系式計算介電函數，此種方法所采用的經驗勢函數高溫條件下精度較低，無法準確的預測高溫條件下體系偶極矩的變化，故而無法預測氮化物材料高溫介電函數；經典分子動力學只關注了原子核的運動過程，對電子的量子性質進行了經驗化處理，無法給出準確的偶極矩計算結果，進而影響介電函數的準確性。

另一種方法是第一性原理分子動力學方法，該方法將密度泛函理論同經典分子動力學方法相結合，無需借助經驗勢函數，采用分子動力學方法模擬原子核的運動，原子間勢能則根據密度泛函理論求解電子薛定諤方程得到，基于第一性原理分子動力學方法可以得到更為準確的時變系統偶極矩，在對其自相關函數進行傅里葉變換后即可得到極化弛豫時間，進而求得介電函數。由于微波段氮化物透波材料的介電特性與其電偶極矩的取向極化息息相關，而極化弛豫的時間跨度較大(皮秒到納秒)，第一性原理方法雖然具有精度高優勢，但其計算過程復雜，模擬時長僅能達到皮秒級別，難以達到極化弛豫所在的時間尺度；第一性原理分子動力學方法涉及到求解電子薛定諤方程，計算求解難度大，很難實現數千原子體系的計算模擬，因此計算體系的尺度受到限制。

發明內容

為了克服現有技術中存在的上述問題，本發明提出一種氮化物基高溫透波材料微波介電函數的計算方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種氮化物基高溫透波材料微波介電函數的計算方法，包括如下步驟：

步驟1，構建初始訓練集：通過第一性原理分子動力學分別模擬氮化物在高溫狀態下結構演化過程，并記錄過程中的原子軌跡、受力、能量信息；

步驟2，結合深度神經網絡對步驟1所得的原子軌跡、受力、能量信息進行訓練擬合出高溫下的深度學習勢；

步驟3，深度學習分子動力學模擬：基于步驟2中的深度學習勢進行分子動力學模擬，得到偶極矩自相關函數；

步驟4，介電函數計算：根據步驟3所得到的偶極矩自相關函數計算弛豫時間，根據弛豫時間計算氮化物高溫介電函數。

上述的一種氮化物基高溫透波材料微波介電函數的計算方法，所述步驟1的具體步驟為：

步驟1.1，選擇合適的氮化物晶胞結構，并根據研究體系對晶胞結構進行擴胞操作；

步驟1.2，選擇Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)算法對氮化物初始結構進行結構優化；