超塑性纳米陶瓷材料的分子动力学研究

论文总字数：13871字

目 录

中文摘要 1

英文摘要 2

1 绪论 3

1.1 课题的背景及研究目的 3

1.2 分子动力学 3

1.2.1 分子动力学的简介 3

1.2.2 分子动力学的基本思想 4

1.3 超塑性理论概要 4

1.3.1 超塑性的基本定义和分类 4

1.3.2 超塑性形变的特点 5

1.4 纳米材料 5

1.4.1 纳米材料的基本性质 5

1.4.2 常见的纳米材料 5

1.5 纳米陶瓷材料 6

1.5.1 纳米陶瓷材料的出现 6

1.5.2 纳米粉体 6

1.5.3 纳米陶瓷的特性 7

1.5.4 纳米陶瓷的应用及其应用 7

2 纳米陶瓷碳化硅材料 8

2.1 碳化硅 8

2.1.1 碳化硅的基本性质 8

2.1.2 碳化硅的用途 8

2.2 纳米碳化硅 8

2.2.1 纳米碳化硅的性质 8

2.2.2 碳化硅纳米粉体的制备 9

2.2.3 碳化硅纳米材料的制备 9

3 超塑性纳米陶瓷材料的分子动力学研究 9

3.1 陶瓷材料的超塑性 9

3.2 对纳米陶瓷碳化硅的分子动力学研究 9

3.2.1 研究目的 9

3.2.2 研究过程及结果 10

4 结论 14

参考文献 15

致谢 16

超塑性纳米陶瓷材料的分子动力学研究

姚振

, China

Abstract:The key to many emerging technology is the ideal structural material which has high strength, ductile and formable. High strength is to support high load while the ductility and formability enable the tolerance of structural defects and also are essential to resist catastrophic failure. Hence, these characteristics can exempt from destroyed damaged in strong external force. Unfortunately, high strength materials, such as ceramics, are usually brittle, almost zero plastic deformation. Therefore, how to maintain the advantages of high strength at the same time andeffectively improve the toughness of ceramic materials, is a big challenge and particularly important task.

The purpose of this thesis is to design an ideal structural ceramics theoretically and can guide the further experimental synthesis of the new ceramics. We study the mechanical properties response of nanocrytalline SiC under the tensile loading by means of molecular dynamics (MD) simulation. We found the nanocrystalline SiC becomes not only ductile, but also can be superplastic when the grain size reduced to 2nm. Detailed analysis of nanocavities, creep rate are carried out to understand this extraordinary phenomena. Our results show that nanocrytalline SiC can maintain its high strength and also can effectively improve its fatal defects of brittle fracture. It is of great significance to wide its application in aviation, industry and military.

1 绪论

1.1 课题的背景及研究目的

先进陶瓷是为了满足科学技术的急迅发展而成长起来的一种有特殊功能的材料，在这之中包含了功能陶瓷、生物陶瓷和结构陶瓷。在现代陶瓷中，结构陶瓷占有重要位置以及最大比例，结构陶瓷指的是拥有力学、机械性能以及部分热学、化学的性能,用来制做机械工程方面零部件的工程陶瓷。而其中所拥有的比如耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能使得陶瓷材料可以承受一些苛刻的工作环境，而这些环境往往是金属材料及有机高分子材料不能承受的,因为这个原因很多新兴科学技术才能实现。结构承力同样是材料的一种性能，并且它是全部性能中最为常见的，以结构承力为主要性能的材料，还能称它为力学功能材料。不过因为它在现代材料分类中是最大的—类，所以把它单独归于结构材料这一类。

我们理想中的结构材料应坚固、韧性和可成型。高强度是必需的，以支持高负荷，而延展性和成形性，使其容忍结构缺陷，对灾难性故障有抵抗力，并允许复杂形状的应用程序的设计。但不幸的是，高强度的材料，如陶瓷，通常是脆性的，没有明显的塑性形变。设计可以在室温下经受较大的塑性形变的陶瓷的任务，在过去的几十年里，维护高强度已经成了材料科学家面临的主要挑战任务，而减小他们微观结构的尺度达到纳米级是改善陶瓷材料的韧性的一个潜在方法。

本课题主要专注于对陶瓷材料碳化硅的研究，此前的报告表明，纳米碳化硅的力学响应关键取决于晶粒尺寸。我们通过在室温和高应变率下对碳化硅进行拉伸形变分子动力学模拟（MD），观察纳米碳化硅的力学响应并对其如何出现超塑性的微观机制进行研究。

1.2 分子动力学

1.2.1 分子动力学的简介

分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟是一种方法，可以用它计算出来某一经典多体体系平衡以及其传递的特点的。组成这一个体系的粒子所具有的核心的运动，都必须在经典的运动定律上得到满足。因为分子动力学模拟，是一种比较常用的原子模拟方法,所以经常被用来作为实验的一个辅助手段，来分析材料力学与热学特性。分子动力学模拟在理论和实验的两者之间搭建了一座桥,使得在理论计算具体化的同时,又可以对实验中那些没有办法分析的比较繁杂的体系进行模拟。

最近几年以来，有许多研究者们已经利用分子动力学模拟的方法对各种问题进行了研究。首先，这种办法是需要对系统里面的一组分子建立运动方程,然后经过对全部粒子的运动及它们的时间离散的运动方程求出解论,以此对这个体系和微观量有关的基本过程进行研究。

其实在分子动力学模拟之中,最简单的运动方程是能够通过牛顿定律导出的，虽然涉及到电子和原子核运动的性能时不适合用牛顿定律去研究,但是因为电子和原子核的运动依旧遵循量子力学定律,即薛定谔方程。在玻恩-海默近似中,因为电子的质量是要小原子核质量很多的,并且原子核的运动速度比电子的运动速度要大上两个数量级^[1]，因此,在分子动力学模拟中，我们只认为原子核的运动是遵循经典牛顿运动方程的，而对于电子的运动则可以不去考虑,。这样通过玻恩-海默近似,在分子动力学模拟中去使用牛顿运动方程就比较合适了。正因为如此,我们才可以通过分子动力学模拟的方法去计算系统中的各种性能参数^[2]。

分子动力学理论是在上世纪50年代被提出的,经过这差不多半个多世纪的发展,分子动力学模拟对于很多行业的发展都有帮助。因为有些物质体系是没有办法利用实验方法来进行考察的过着一些反应过程是难以被控制的,这个时候分子动力学方法就能够很好的进行模拟和预测,与此同时,对于有些实验上己经获得验证的现象,也可以通过分子动力学的方法对这些现象进行本质上的分析探讨。

1.2.2分子动力学的基本思想

分子动力学的基本思想是:对于所研究的微观现象，通过建立一个粒子系统来模拟。也就是将不间断的介质想作由M个原子或分子构成的粒子系统,之后再将该粒子系统抽象理解为M个相互作用的质点,并给出M个质点之间的相互作用势。

我们运用经典的力学方程(比如拉格朗日方程、哈密顿方程、牛顿力学方程等等),对全部粒子的运动轨迹进行求解,然后再在这个基础之上来研究这个体系的结构及其相关的性质。原子运动轨迹是通过分子动力学模拟的结果来给的 ,而对原料的一些机能的定性估计可以在微观过程中转变成定量研究,最后通过统计物理学原理可以推出这个系统在动、静态上相对应的宏观特征。

1.3 超塑性的基本概要

1.3.1 超塑性的基本定义及分类

超塑性，指的是当金属和合金处于一定形变温度以及组织结构条件下,此时它形变的抗力会极大地减小，还会出现异于常值的塑性,延伸率能达几倍,甚至达几十倍以上,。

目前,以材料形变的条件临界点及它处在的状态对超塑性进行分类,可分为一下三大类。

1. 相变超塑性指的是在材料变型的临界点附近通过加持循环的温度,并且让它受到外面电子载荷的作用,以此让材料获得的异于普通塑性的特性。
2. 组织超塑性指的是是通过利用晶粒尺度十分细小的材料，在稳定不变的形变温度之下再通过十分慢的应变速率来得到较大的形变的一种超塑性成形方式。
3. 其他超塑性包含了一些不多见的超塑性，比如短暂超塑性、相变诱发超塑性等。

目前主要是从组织超塑性方向去研究纳米陶瓷材料超塑性。

1.3.2超塑性形变的特点

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