专利名称：一种三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种材料的模拟方法，尤其是一种三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法。
背景技术：
随着近代超音速飞机、火箭、人造卫星以及原子能等尖端新技术的发展，相应的工作条件日益严格，对材料耐高温及超高温、耐腐蚀、抗震动、抗疲劳、抗温度急变以及耐火焰冲刷等性能要求越来越高。碳化硅(SiC)具有高硬度、优越的耐腐蚀性以及良好的导热性能，还具有比硅优越得多的热稳定性和耐高温性，是一种重要的高温结构材料。SiC薄膜作为保护层多应用于微转动器件的接合部分，如微齿轮、微马达等，或是高温和腐蚀性环境中。然而，SiC涂层也存在缺陷密度较大和与金属之间附着力较小等问题。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温性能，同时具有更好的附着性能或抗氧化性能。然而，目前SAXA、NMR和X射线衍射等实验测试手段对于SiC基耐高温陶瓷的研究仍遇到一定困难，一些材料的结构信息(例如其特有的nano-domain结构的成分)尚未弄清，而结构-特征关系对材料的分析设计而言是至关重要的。传统的材料设计主要采用试验分析和经验设计的方法，由于各种测量方法存在周期长、费用高等局限性，要想通过大量的测试研究来寻求最佳设计是非常困难的。随着计算机技术的发展，将数值模拟技术应用到涂层的设计当中可以更好地解决传统设计方法存在的问题。分子动力学(Molecular Dynamics, MD)是应用最为普遍的建模和模拟方法,它对于许多在理论分析和实验观察上都难以了解的现象作出一定的微观解释，可以模拟得到某些极限条件以及实验无法实现情况下体系的一些信息。基于实验提供的结构信息，美国普渡大学的Tomar教授用分子动力学方法建立了 SiCO/SiCN的模型并进行了力学特性研究，其方法的缺点是模型需要实验提 供结构信息，不能对结构进行预测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法。本发明可以由完全随机的初始结构生成符合实验结果的三维模型，并可分析得到准确的材料力学特性，能真实展现材料的各项特征，利用此方法能更有效的对材料进行分析及设计，提高材料设计的效率并大大降低设计成本。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下:一种三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法，其特征在于，按下述步骤进行:
①建立三维网状碳化硅基陶瓷的初始模型；
②确定势能函数及参数；
③利用melt-quench方法生成三维网状碳化硅基陶瓷的结构模型；
④采用准静态拉伸方法判断三维网状碳化硅基陶瓷的力学特性。前述的三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法中，按下述步骤进行:①根据要求的模型尺度、配比成分和原子类型来确定模型的盒子尺寸和总原子数，将每个原子由三维坐标值来表示，用三个精确到小数点后两位的数字表示原子的空间坐标作为原子序号，并通过序号表示原子类型，从而建立分子运动学模型；
②根据三维网状碳化硅基陶瓷类型确定同种原子相互作用的Tersoff势能函数参数，并根据混合法确定不同原子间的相互作用参数；
③确定melt-quench方法中的加热最高温度、次高温度、降温速率和弛豫时间，从而产生三维网状碳化硅基陶瓷的结构模型；
④采用准静态拉伸加载方法对结构模型中的参数进行力学特性判断，确定每步加载的应变量、动力学系综类型、温度、压力、弛豫时间，并通过拉伸过程中得到的应力和应变参数得到强度极限和杨氏模量参数。前述的三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法中，所述的产生三维网状碳化硅基陶瓷的结构模型的方法按下述步骤进行:
(1)确定截断半径参数和仿真时间步长，赋予模拟初始势能U，进而初始化分子运动学模型内原子的速度；
(2)执行仿真循环，对于每次循环，利用势函数计算原子间的作用力和总势能，并更新原子的位置和速度；
(3)执行仿真循环后，存储当前时刻原子的三维位置坐标、速度和总势能参数。前述的三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法中，所述的三维网状碳化硅基陶瓷是SiCO、SiCN、SiBCN 或 SiBCO。
本发明的有益效果:与现有技术相比，本发明的MD模型是随机初始机构在melt-quench能量优化中逐步生成的，不需要根据实验提供的结构信息来建模，而百万原子大规模MD并行计算能完全捕捉nano-domain结构及界面断裂相关特性的信息，最终通过分析化学成分对nano-domain结构及材料关键力学行为的影响,从而实现SiCO陶瓷分析与设计。因此，本发明可以由完全随机的初始结构生成符合实验结果的三维模型，并可分析得到准确的材料力学特性，能真实展现材料的各项特征，利用此方法能更有效的对材料进行分析及设计，提高材料设计的效率并大大降低设计成本。本发明的分子动力学模型是随机初始机构在melt-quench能量优化中逐步生成的，不需要根据实验提供的结构信息来建模；可以通过参数混合对SiBCO，SiBCN等复合陶瓷进行模拟，得到的模拟结果与实验相符。还采用百万原子的大规模分子动力学方法对其进行模拟，百万原子大规模MD并行计算能完全捕捉nano-domain结构及界面断裂相关特性的息，因此能更精确的获得材料的特征息。
图1是melt-quench方法的流程 图2是MD拉伸断裂模拟方法的基本流程 图3是MD断裂模拟的信息采集 图4不同配比SiCO的径向分布函 数 图5力学特性对比 图6 SiO2的结构因子对比图；图7是不同配比的SiCO结构图。下面结合具体实施方式
对本发明作进一步的说明，本发明的实施方式不限于下述实施例，在不脱离本发明宗旨的前提下做出的各种变化均属于本发明的保护范围之内。
具体实施例方式一种三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法，按下述步骤进行:
①根据要求的模型尺度、配比成分和原子类型来确定模型的盒子尺寸和总原子数，将每个原子由三维坐标值来表示，用三个精确到小数点后两位的数字表示原子的空间坐标作为原子序号，并通过序号表示原子类型，从而建立分子运动学模型；
②根据三维网状碳化硅基陶瓷类型确定同种原子相互作用的Tersoff势能函数参数，并根据混合法确定不同原子间的相互作用参数；
③确定melt-quench方法中的加热最高 温度、次高温度、降温速率和弛豫时间，从而产生三维网状碳化硅基陶瓷的结构模型；
④采用准静态拉伸加载方法对结构模型中的参数进行力学特性判断，确定每步加载的应变量、动力学系综类型、温度、压力、弛豫时间，并通过拉伸过程中得到的应力和应变参数得到强度极限和杨氏模量参数。动力学系综类型就是分子动力学运行中系统特性的类型，比如有NVE系综，指的就是系统在动力学过程中原子数(Number),体积(Volume)和能量(Energy)保持不变；而NVT系综就是系统能量可以改变，而T (temperature,温度)保持不变，比如可以设定维持在600K，如果在动力学过程中温度变了，系统会通过某种算法把温度调回到600K。在melt-quench过程中就需要用到NVT，因为要把系统温度改变到我们想要的值(300K-500K-1000K-3000K-1500K-1000K-300K等等，就是先升温再降温回到室温)，如果不用NVT设定系统的温度，那么系统的温度会无规则变化，而不受控制，还有NPT系综，可以同时设定系统的温度和压力(Presure)。所述的产生三维网状碳化硅基陶瓷的结构模型的方法按下述步骤进行:
(1)确定截断半径参数和仿真时间步长，赋予模拟初始势能U，进而初始化分子运动学模型内原子的速度；
(2)执行仿真循环，对于每次循环，利用势函数计算原子间的作用力和总势能，并更新原子的位置和速度；
(3)执行仿真循环后，存储当前时刻原子的三维位置坐标、速度和总势能参数。所述的三维网状碳化硅基陶瓷是SiCO、SiCN、SiBCN或SiBCO。本发明可以在美国Sandia国家实验室开发的免费开源软件Lammps上面进行了实现，此方案同时可以在其他分子模拟软件上进行实现。实施例1:
一、势能函数的选取及动力学运算方法
分子动力学模拟中，每个原子的位置是通过在10_15秒或I飞秒量级(小于原子的振动周期)上求解牛顿方程来确定的，原子在它们的最小能量位置上振动。分子动力学系统可以看成是由很多非线性弹簧和原子组成的定义了外载、速度和位移条件的系统，而动力学模拟输出是原子的轨迹和速度。第i个原子所受的力Ii为以原子i的广义坐标为变量的势能函数的负梯度，
权利要求
1.一种三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法，其特征在于，按下述步骤进行: ①建立三维网状碳化硅基陶瓷的初始模型； ②确定势能函数及参数； ③利用melt-quench方法生成三维网状碳化硅基陶瓷的结构模型； ④采用准静态拉伸方法判断三维网状碳化硅基陶瓷的力学特性。
2.根据权利要求1所述的三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法，其特征在于，按下述步骤进行: ①根据要求的模型尺度、配比成分和原子类型来确定模型的盒子尺寸和总原子数，将每个原子由三维坐标值来表示，用三个精确到小数点后两位的数字表示原子的空间坐标作为原子序号，并通过序号表示原子类型，从而建立分子运动学模型； ②根据三维网状碳化硅基陶瓷类型确定同种原子相互作用的Tersoff势能函数参数，并根据混合法确定不同原子间的相互作用参数； ③确定melt-quench方法中的加热最高温度、次高温度、降温速率和弛豫时间，从而产生三维网状碳化硅基陶瓷的结构模型； ④采用准静态拉伸加载方法对结构模型中的参数进行力学特性判断，确定每步加载的应变量、动力学系综类型、温度、压力、弛豫时间，并通过拉伸过程中得到的应力和应变参数得到强度极限和杨氏模量参数。·
3.根据权利要求2所述的三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法，其特征在于:所述的产生三维网状碳化硅基陶瓷的结构模型的方法按下述步骤进行: (1)确定截断半径参数和仿真时间步长，赋予模拟初始势能U，进而初始化分子运动学模型内原子的速度； (2)执行仿真循环，对于每次循环，利用势函数计算原子间的作用力和总势能，并更新原子的位置和速度； (3)执行仿真循环后，存储当前时刻原子的三维位置坐标、速度和总势能参数。
4.根据权利要求1、2或3所述的三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法，其特征在于:所述的三维网状碳化硅基陶瓷是SiCO、SiCN, SiBCN或SiBCO。
全文摘要
本发明公开了一种三维网状碳化硅基陶瓷的模拟方法，该方法按下述步骤进行①建立三维网状碳化硅基陶瓷的初始模型；②确定势能函数及参数；③利用melt-quench方法生成三维网状碳化硅基陶瓷的结构模型；④采用准静态拉伸方法判断三维网状碳化硅基陶瓷的力学特性。本发明可以由完全随机的初始结构生成符合实验结果的三维模型，并可分析得到准确的材料力学特性，能真实展现材料的各项特征，利用此方法能更有效的对材料进行分析及设计，提高材料设计的效率并大大降低设计成本。
文档编号G06F17/50GK103235840SQ20131009966
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月26日 优先权日2013年3月26日
发明者廖宁波, 薛伟, 周宏明, 张淼 申请人:温州大学