專利名稱：一種三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種材料的模擬方法，尤其是一種三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法。
背景技術(shù)：
隨著近代超音速飛機(jī)、火箭、人造衛(wèi)星以及原子能等尖端新技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的工作條件日益嚴(yán)格，對(duì)材料耐高溫及超高溫、耐腐蝕、抗震動(dòng)、抗疲勞、抗溫度急變以及耐火焰沖刷等性能要求越來(lái)越高。碳化硅(SiC)具有高硬度、優(yōu)越的耐腐蝕性以及良好的導(dǎo)熱性能，還具有比硅優(yōu)越得多的熱穩(wěn)定性和耐高溫性，是一種重要的高溫結(jié)構(gòu)材料。SiC薄膜作為保護(hù)層多應(yīng)用于微轉(zhuǎn)動(dòng)器件的接合部分，如微齒輪、微馬達(dá)等，或是高溫和腐蝕性環(huán)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(wèn)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(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)試手段對(duì)于SiC基耐高溫陶瓷的研究仍遇到一定困難，一些材料的結(jié)構(gòu)信息(例如其特有的nano-domain結(jié)構(gòu)的成分)尚未弄清，而結(jié)構(gòu)-特征關(guān)系對(duì)材料的分析設(shè)計(jì)而言是至關(guān)重要的。傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)主要采用試驗(yàn)分析和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，由于各種測(cè)量方法存在周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等局限性，要想通過(guò)大量的測(cè)試研究來(lái)尋求最佳設(shè)計(jì)是非常困難的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到涂層的設(shè)計(jì)當(dāng)中可以更好地解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題。分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamics, MD)是應(yīng)用最為普遍的建模和模擬方法,它對(duì)于許多在理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察上都難以了解的現(xiàn)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(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)情況下體系的一些信息?；趯?shí)驗(yàn)提供的結(jié)構(gòu)信息，美國(guó)普渡大學(xué)的Tomar教授用分子動(dòng)力學(xué)方法建立了 SiCO/SiCN的模型并進(jìn)行了力學(xué)特性研究，其方法的缺點(diǎn)是模型需要實(shí)驗(yàn)提 供結(jié)構(gòu)信息，不能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法。本發(fā)明可以由完全隨機(jī)的初始結(jié)構(gòu)生成符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的三維模型，并可分析得到準(zhǔn)確的材料力學(xué)特性，能真實(shí)展現(xiàn)材料的各項(xiàng)特征，利用此方法能更有效的對(duì)材料進(jìn)行分析及設(shè)計(jì)，提高材料設(shè)計(jì)的效率并大大降低設(shè)計(jì)成本。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法，其特征在于，按下述步驟進(jìn)行:
①建立三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的初始模型；
②確定勢(shì)能函數(shù)及參數(shù)；
③利用melt-quench方法生成三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)模型；
④采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸方法判斷三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的力學(xué)特性。前述的三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法中，按下述步驟進(jìn)行:①根據(jù)要求的模型尺度、配比成分和原子類型來(lái)確定模型的盒子尺寸和總原子數(shù)，將每個(gè)原子由三維坐標(biāo)值來(lái)表示，用三個(gè)精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位的數(shù)字表示原子的空間坐標(biāo)作為原子序號(hào)，并通過(guò)序號(hào)表示原子類型，從而建立分子運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；
②根據(jù)三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷類型確定同種原子相互作用的Tersoff勢(shì)能函數(shù)參數(shù)，并根據(jù)混合法確定不同原子間的相互作用參數(shù)；
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(shí)間，從而產(chǎn)生三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)模型；
④采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸加載方法對(duì)結(jié)構(gòu)模型中的參數(shù)進(jìn)行力學(xué)特性判斷，確定每步加載的應(yīng)變量、動(dòng)力學(xué)系綜類型、溫度、壓力、弛豫時(shí)間，并通過(guò)拉伸過(guò)程中得到的應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)得到強(qiáng)度極限和楊氏模量參數(shù)。前述的三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法中，所述的產(chǎn)生三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)模型的方法按下述步驟進(jìn)行:
(1)確定截?cái)喟霃絽?shù)和仿真時(shí)間步長(zhǎng)，賦予模擬初始勢(shì)能U，進(jìn)而初始化分子運(yùn)動(dòng)學(xué)模型內(nèi)原子的速度；
(2)執(zhí)行仿真循環(huán)，對(duì)于每次循環(huán)，利用勢(shì)函數(shù)計(jì)算原子間的作用力和總勢(shì)能，并更新原子的位置和速度；
(3)執(zhí)行仿真循環(huán)后，存儲(chǔ)當(dāng)前時(shí)刻原子的三維位置坐標(biāo)、速度和總勢(shì)能參數(shù)。前述的三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法中，所述的三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷是SiCO、SiCN、SiBCN 或 SiBCO。

本發(fā)明的有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的MD模型是隨機(jī)初始機(jī)構(gòu)在melt-quench能量?jī)?yōu)化中逐步生成的，不需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的結(jié)構(gòu)信息來(lái)建模，而百萬(wàn)原子大規(guī)模MD并行計(jì)算能完全捕捉nano-domain結(jié)構(gòu)及界面斷裂相關(guān)特性的信息，最終通過(guò)分析化學(xué)成分對(duì)nano-domain結(jié)構(gòu)及材料關(guān)鍵力學(xué)行為的影響,從而實(shí)現(xiàn)SiCO陶瓷分析與設(shè)計(jì)。因此，本發(fā)明可以由完全隨機(jī)的初始結(jié)構(gòu)生成符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的三維模型，并可分析得到準(zhǔn)確的材料力學(xué)特性，能真實(shí)展現(xiàn)材料的各項(xiàng)特征，利用此方法能更有效的對(duì)材料進(jìn)行分析及設(shè)計(jì)，提高材料設(shè)計(jì)的效率并大大降低設(shè)計(jì)成本。本發(fā)明的分子動(dòng)力學(xué)模型是隨機(jī)初始機(jī)構(gòu)在melt-quench能量?jī)?yōu)化中逐步生成的，不需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的結(jié)構(gòu)信息來(lái)建模；可以通過(guò)參數(shù)混合對(duì)SiBCO，SiBCN等復(fù)合陶瓷進(jìn)行模擬，得到的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符。還采用百萬(wàn)原子的大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行模擬，百萬(wàn)原子大規(guī)模MD并行計(jì)算能完全捕捉nano-domain結(jié)構(gòu)及界面斷裂相關(guān)特性的息，因此能更精確的獲得材料的特征息。


圖1是melt-quench方法的流程 圖2是MD拉伸斷裂模擬方法的基本流程 圖3是MD斷裂模擬的信息采集 圖4不同配比SiCO的徑向分布函 數(shù) 圖5力學(xué)特性對(duì)比 圖6 SiO2的結(jié)構(gòu)因子對(duì)比圖；圖7是不同配比的SiCO結(jié)構(gòu)圖。下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，本發(fā)明的實(shí)施方式不限于下述實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出的各種變化均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
具體實(shí)施例方式一種三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法，按下述步驟進(jìn)行:
①根據(jù)要求的模型尺度、配比成分和原子類型來(lái)確定模型的盒子尺寸和總原子數(shù)，將每個(gè)原子由三維坐標(biāo)值來(lái)表示，用三個(gè)精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位的數(shù)字表示原子的空間坐標(biāo)作為原子序號(hào)，并通過(guò)序號(hào)表示原子類型，從而建立分子運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；
②根據(jù)三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷類型確定同種原子相互作用的Tersoff勢(shì)能函數(shù)參數(shù)，并根據(jù)混合法確定不同原子間的相互作用參數(shù)；
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(shí)間，從而產(chǎn)生三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)模型；
④采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸加載方法對(duì)結(jié)構(gòu)模型中的參數(shù)進(jìn)行力學(xué)特性判斷，確定每步加載的應(yīng)變量、動(dòng)力學(xué)系綜類型、溫度、壓力、弛豫時(shí)間，并通過(guò)拉伸過(guò)程中得到的應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)得到強(qiáng)度極限和楊氏模量參數(shù)。動(dòng)力學(xué)系綜類型就是分子動(dòng)力學(xué)運(yùn)行中系統(tǒng)特性的類型，比如有NVE系綜，指的就是系統(tǒng)在動(dòng)力學(xué)過(guò)程中原子數(shù)(Number),體積(Volume)和能量(Energy)保持不變；而NVT系綜就是系統(tǒng)能量可以改變，而T (temperature,溫度)保持不變，比如可以設(shè)定維持在600K，如果在動(dòng)力學(xué)過(guò)程中溫度變了，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)某種算法把溫度調(diào)回到600K。在melt-quench過(guò)程中就需要用到NVT，因?yàn)橐严到y(tǒng)溫度改變到我們想要的值(300K-500K-1000K-3000K-1500K-1000K-300K等等，就是先升溫再降溫回到室溫)，如果不用NVT設(shè)定系統(tǒng)的溫度，那么系統(tǒng)的溫度會(huì)無(wú)規(guī)則變化，而不受控制，還有NPT系綜，可以同時(shí)設(shè)定系統(tǒng)的溫度和壓力(Presure)。所述的產(chǎn)生三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)模型的方法按下述步驟進(jìn)行:
(1)確定截?cái)喟霃絽?shù)和仿真時(shí)間步長(zhǎng)，賦予模擬初始勢(shì)能U，進(jìn)而初始化分子運(yùn)動(dòng)學(xué)模型內(nèi)原子的速度；
(2)執(zhí)行仿真循環(huán)，對(duì)于每次循環(huán)，利用勢(shì)函數(shù)計(jì)算原子間的作用力和總勢(shì)能，并更新原子的位置和速度；
(3)執(zhí)行仿真循環(huán)后，存儲(chǔ)當(dāng)前時(shí)刻原子的三維位置坐標(biāo)、速度和總勢(shì)能參數(shù)。所述的三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷是SiCO、SiCN、SiBCN或SiBCO。本發(fā)明可以在美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的免費(fèi)開(kāi)源軟件Lammps上面進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，此方案同時(shí)可以在其他分子模擬軟件上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。實(shí)施例1:
一、勢(shì)能函數(shù)的選取及動(dòng)力學(xué)運(yùn)算方法
分子動(dòng)力學(xué)模擬中，每個(gè)原子的位置是通過(guò)在10_15秒或I飛秒量級(jí)(小于原子的振動(dòng)周期)上求解牛頓方程來(lái)確定的，原子在它們的最小能量位置上振動(dòng)。分子動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)可以看成是由很多非線性彈簧和原子組成的定義了外載、速度和位移條件的系統(tǒng)，而動(dòng)力學(xué)模擬輸出是原子的軌跡和速度。第i個(gè)原子所受的力Ii為以原子i的廣義坐標(biāo)為變量的勢(shì)能函數(shù)的負(fù)梯度，
權(quán)利要求
1.一種三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法，其特征在于，按下述步驟進(jìn)行: ①建立三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的初始模型； ②確定勢(shì)能函數(shù)及參數(shù)； ③利用melt-quench方法生成三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)模型； ④采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸方法判斷三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的力學(xué)特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法，其特征在于，按下述步驟進(jìn)行: ①根據(jù)要求的模型尺度、配比成分和原子類型來(lái)確定模型的盒子尺寸和總原子數(shù)，將每個(gè)原子由三維坐標(biāo)值來(lái)表示，用三個(gè)精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位的數(shù)字表示原子的空間坐標(biāo)作為原子序號(hào)，并通過(guò)序號(hào)表示原子類型，從而建立分子運(yùn)動(dòng)學(xué)模型； ②根據(jù)三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷類型確定同種原子相互作用的Tersoff勢(shì)能函數(shù)參數(shù)，并根據(jù)混合法確定不同原子間的相互作用參數(shù)； 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(shí)間，從而產(chǎn)生三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)模型； ④采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸加載方法對(duì)結(jié)構(gòu)模型中的參數(shù)進(jìn)行力學(xué)特性判斷，確定每步加載的應(yīng)變量、動(dòng)力學(xué)系綜類型、溫度、壓力、弛豫時(shí)間，并通過(guò)拉伸過(guò)程中得到的應(yīng)力和應(yīng)變參數(shù)得到強(qiáng)度極限和楊氏模量參數(shù)。·
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法，其特征在于:所述的產(chǎn)生三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)模型的方法按下述步驟進(jìn)行: (1)確定截?cái)喟霃絽?shù)和仿真時(shí)間步長(zhǎng)，賦予模擬初始勢(shì)能U，進(jìn)而初始化分子運(yùn)動(dòng)學(xué)模型內(nèi)原子的速度； (2)執(zhí)行仿真循環(huán)，對(duì)于每次循環(huán)，利用勢(shì)函數(shù)計(jì)算原子間的作用力和總勢(shì)能，并更新原子的位置和速度； (3)執(zhí)行仿真循環(huán)后，存儲(chǔ)當(dāng)前時(shí)刻原子的三維位置坐標(biāo)、速度和總勢(shì)能參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法，其特征在于:所述的三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷是SiCO、SiCN, SiBCN或SiBCO。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的模擬方法，該方法按下述步驟進(jìn)行①建立三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的初始模型；②確定勢(shì)能函數(shù)及參數(shù)；③利用melt-quench方法生成三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)模型；④采用準(zhǔn)靜態(tài)拉伸方法判斷三維網(wǎng)狀碳化硅基陶瓷的力學(xué)特性。本發(fā)明可以由完全隨機(jī)的初始結(jié)構(gòu)生成符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的三維模型，并可分析得到準(zhǔn)確的材料力學(xué)特性，能真實(shí)展現(xiàn)材料的各項(xiàng)特征，利用此方法能更有效的對(duì)材料進(jìn)行分析及設(shè)計(jì)，提高材料設(shè)計(jì)的效率并大大降低設(shè)計(jì)成本。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103235840SQ20131009966
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者廖寧波, 薛偉, 周宏明, 張淼 申請(qǐng)人:溫州大學(xué)