一種硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法技術

本發明專利技術公開了一種硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法，采用基于混合法則的Tersoff三體勢函數描述碳化硅基陶瓷材料內部各原子的相互作用；采用EAM勢函數描述金屬基體材料內部原子的相互作用；采用Buckingham函數和Morse勢函數描述碳化硅基陶瓷與金屬基體界面的相互作用；利用大規模MD對材料界面進行I型和II型斷裂模擬，利用大規模MD斷裂模擬中初始裂紋附近的應力和位移參數，提取CZM模型的TSL信息，獲得硅碳基陶瓷和金屬基體各自的界面TSL函數。本發明專利技術能更有效地對不同材料界面進行分析及設計，因而提高了涂層結構的設計效率并大大降低了設計成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及新型納米結構的分析及設計領域，特別是一種硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度模擬方法。
技術介紹
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。原來使用的合金鋼、高溫合金等金屬因溫度太高而產生過量的蠕變，或因高溫氣流的作用而產生過快的腐蝕與成片剝落等現象而壽命過短。為了消除或延緩這些現象的發生，在金屬或其他高溫材料表面上施加各種涂層的方法愈來愈被人們所重視。涂層技術在涂層材料、制備方法、性能表征、技術手段和防護機理等方面都取得了顯著成就。納米涂層以其優異的機械性能，良好的性價比優勢在材料表面保護方面顯示出廣闊的應用前景。利用涂層技術改善材料表面的性能，對其起到防護、密封、抗磨、抗沖擊、減振、隔熱等作用，可提升材料的可靠性，延長使用壽命。其中，將耐高溫陶瓷涂層應用于低熱耗發動機是一個前景廣闊的領域。使用陶瓷熱障涂層制成的發動機渦輪葉片能在1600℃的高溫下運行,這樣可以提高發動機的熱效率到60％以上。因此，耐高溫陶瓷涂層的發展將對汽車和航天等工業領域起到巨大的推動作用。然而，由于陶瓷涂層與金屬基體的熱膨脹系數相差較大，在惡劣的使用工作環境條件下，冷熱溫度急變、震動、氣流沖刷等因素可能造成涂層脫落，使很多耐高溫陶瓷涂層無法完全獲得實際應用。涂層中各種界面結構的力學性能對其可靠性的影響至關重要。在傳統的涂層設計中，涂層的材料選擇和結構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。分子動力學(MD)是納米尺度應用最為普遍的建模和模擬方法。然而，對于MD模型而言，其計算時間隨著原子數的增加而急劇增加。包含多種界面結構的涂層體系基本處于微米以上量級，采用MD模型描述整個系統完全超出了其建模范圍。內聚力模型(CZM)是宏觀力學中描述界面的主要方法，CZM模型通過traction-separation laws(TSL)描述斷裂過程的主要特征，而精確獲得TSL是通過大量實驗的不斷試錯得到的，效率低且會消耗大量人力物力。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，提供一種硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法。本專利技術能更有效地對不同材料界面進行分析及設計，因而提高了涂層結構的設計效率并大大降低了設計成本。本專利技術的技術方案：一種硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法，其特征在于：采用基于混合法則的Tersoff三體勢函數描述碳化硅基陶瓷材料內部各原子的相互作用；采用EAM勢函數描述金屬基體材料內部原子的相互作用(常規方法)；采用Buckingham函數和Morse勢函數描述碳化硅基陶瓷與金屬基體界面的相互作用；利用大規模MD對材料界面進行I型和II型斷裂模擬，利用大規模MD斷裂模擬中初始裂紋附近的應力和位移參數，提取CZM模型的TSL信息，獲得硅碳基陶瓷和金屬基體各自的界面TSL函數。前述的硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法中，所述獲得界面TSL函數的具體方法按下述步驟進行：1)在硅碳基陶瓷和金屬基體界面處加入一條0.5nm×0.25nm的初始裂紋；2)以盒子底部和頂部1nm范圍的原子區域作為加載層，拉伸和剪切加載通過在加載層原子施加作用力實現；3)I型和II型斷裂時，每次施加作用力10-10N，并弛豫10ps使系統達到平衡狀態；4)將沿初始裂紋方向±8nm范圍作為TSL信息的采集區域，并將采集區域分為兩層，第一層沿裂紋方向分為寬度0.5nm×0.5nm的子區域，用于收集裂尖附件應力應變信息；第二層沿裂紋方向分為寬度1nm×1nm的子區域，用于收集垂直裂紋方向的應力應變信息；5)每隔0.5ps，計算I型和II型斷裂每個TSL信息采集子區域內的平均拉伸應力σyy、平均剪切應力τxy，以及子區域界面兩邊的原子在拉伸方向和剪切方向相對位移的平方和λ，直到界面完全斷裂為止；6)根據模式I和模式II局部應力-張開曲線與載荷類型的相關性，以式(6)為基本形式構建CZM模型的TSL函數T(λ)：T(λ)＝A1σyyλ+A2τxyλexp(Bλ) (6)其中T為加載層的累積作用力，A1、A2、B是系數。前述的硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法中，所述采用Tersoff三體勢函數描述碳化硅基陶瓷材料內部各原子的相互作用，其具體形式為： E = Σ i E i = 1 2 Σ i ≠ j V i j , V i j = f C ( r i j ) [ A i j exp ( - λ i j r i j ) - b i j B i j exp ( - μ i j r i j ) ] ]]> f C ( r i j ) = 1 , r i j 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法，其特征在于：采用基于混合法則的Tersoff三體勢函數描述碳化硅基陶瓷材料內部各原子的相互作用；采用EAM勢函數描述金屬基體材料內部原子的相互作用；采用Buckingham函數和Morse勢函數描述碳化硅基陶瓷與金屬基體界面的相互作用；利用大規模MD對材料界面進行I型和II型斷裂模擬，利用大規模MD斷裂模擬中初始裂紋附近的應力和位移參數，提取CZM模型的TSL信息，獲得硅碳基陶瓷和金屬基體各自的界面TSL函數。

【技術特征摘要】
1.一種硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法，其特征在于：采用基于混合法則的Tersoff三體勢函數描述碳化硅基陶瓷材料內部各原子的相互作用；采用EAM勢函數描述金屬基體材料內部原子的相互作用；采用Buckingham函數和Morse勢函數描述碳化硅基陶瓷與金屬基體界面的相互作用；利用大規模MD對材料界面進行I型和II型斷裂模擬，利用大規模MD斷裂模擬中初始裂紋附近的應力和位移參數，提取CZM模型的TSL信息，獲得硅碳基陶瓷和金屬基體各自的界面TSL函數。2.根據權利要求1所述的硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法，其特征在于：所述獲得界面TSL函數的具體方法按下述步驟進行：1)在硅碳基陶瓷和金屬基體界面處加入一條0.5nm×0.25nm的初始裂紋；2)以盒子底部和頂部1nm范圍的原子區域作為加載層，拉伸和剪切加載通過在加載層原子施加作用力實現；3)I型和II型斷裂時，每次施加作用力10-10N，并弛豫10ps使系統達到平衡狀態；4)將沿初始裂紋方向±8nm范圍作為TSL信息的采集區域，并將采集區域分為兩層，第一層沿裂紋方向分為寬度0.5nm×0.5nm的子區域，用于收集裂尖附件應力應變信息；第二層沿裂紋方向分為寬度1nm×1nm的子區域，用于收集垂直裂紋方向的應力應變信息；5)每隔0.5ps，計算I型和II型斷裂每個TSL信息采集子區域內的平均拉伸應力σyy、平均剪切應力τxy，以及子區域界面兩邊的原子在拉伸方向和剪切方向相對位移的平方和λ，直到界面完全斷裂為止；6)根據模式I和模式II局部應力-張開曲線與載荷類型的相關性，以式(6)為基本形式構建CZM模型的TSL函數T(λ)：T(λ)＝A1σyyλ+A2τxyλexp(Bλ) (6)其中T為加載層的累積作用力，A1、A2、B是系數。3.根據權利要求1所述的硅碳基陶瓷涂層界面力學特性的跨尺度分析方法，其特征在于：所述采用Tersoff三體勢函數描述碳化硅基陶瓷材料內部各原子的相互作用，其具體形式為： E = Σ i E i = 1 2 Σ i ≠ j V i j , V i j = f C ( r i j ) [ A i j exp ( - λ i j r i j ) - b i j B i j exp ( - μ i j r i j ) ] ]]> f C ( r i j ) = 1 , r i j < R i j 1 2 + 1 2 cos [ π ( r i j - R i ...

【專利技術屬性】
技術研發人員：廖寧波，周峰，薛偉，
申請(專利權)人：溫州大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33