本发明涉及新型纳米结构的分析及设计领域，特别是一种硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度模拟方法。
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。原来使用的合金钢、高温合金等金属因温度太高而产生过量的蠕变，或因高温气流的作用而产生过快的腐蚀与成片剥落等现象而寿命过短。为了消除或延缓这些现象的发生，在金属或其他高温材料表面上施加各种涂层的方法愈来愈被人们所重视。涂层技术在涂层材料、制备方法、性能表征、技术手段和防护机理等方面都取得了显著成就。纳米涂层以其优异的机械性能，良好的性价比优势在材料表面保护方面显示出广阔的应用前景。利用涂层技术改善材料表面的性能，对其起到防护、密封、抗磨、抗冲击、减振、隔热等作用，可提升材料的可靠性，延长使用寿命。其中，将耐高温陶瓷涂层应用于低热耗发动机是一个前景广阔的领域。使用陶瓷热障涂层制成的发动机涡轮叶片能在1600℃的高温下运行,这样可以提高发动机的热效率到60％以上。因此，耐高温陶瓷涂层的发展将对汽车和航天等工业领域起到巨大的推动作用。然而，由于陶瓷涂层与金属基体的热膨胀系数相差较大，在恶劣的使用工作环境条件下，冷热温度急变、震动、气流冲刷等因素可能造成涂层脱落，使很多耐高温陶瓷涂层无法完全获得实际应用。涂层中各种界面结构的力学性能对其可靠性的影响至关重要。在传统的涂层设计中，涂层的材料选择和结构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。分子动力学(MD)是纳米尺度应用最为普遍的建模和模拟方法。然而，对于MD模型而言，其计算时间随着原子数的增加而急剧增加。包含多种界面结构的涂层体系基本处于微米以上量级，采用MD模型描述整个系统完全超出了其建模范围。内聚力模型(CZM)是宏观力学中描述界面的主要方法，CZM模型通过traction-separationlaws(TSL)描述断裂过程的主要特征，而精确获得TSL是通过大量实验的不断试错得到的，效率低且会消耗大量人力物力。技术实现要素：本发明的目的在于，提供一种硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法。本发明能更有效地对不同材料界面进行分析及设计，因而提高了涂层结构的设计效率并大大降低了设计成本。本发明的技术方案：一种硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法，其特征在于：采用基于混合法则的Tersoff三体势函数描述碳化硅基陶瓷材料内部各原子的相互作用；采用EAM势函数描述金属基体材料内部原子的相互作用(常规方法)；采用Buckingham函数和Morse势函数描述碳化硅基陶瓷与金属基体界面的相互作用；利用大规模MD对材料界面进行I型和II型断裂模拟，利用大规模MD断裂模拟中初始裂纹附近的应力和位移参数，提取CZM模型的TSL信息，获得硅碳基陶瓷和金属基体各自的界面TSL函数。前述的硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法中，所述获得界面TSL函数的具体方法按下述步骤进行：1)在硅碳基陶瓷和金属基体界面处加入一条0.5nm×0.25nm的初始裂纹；2)以盒子底部和顶部1nm范围的原子区域作为加载层，拉伸和剪切加载通过在加载层原子施加作用力实现；3)I型和II型断裂时，每次施加作用力10-10N，并弛豫10ps使系统达到平衡状态；4)将沿初始裂纹方向±8nm范围作为TSL信息的采集区域，并将采集区域分为两层，第一层沿裂纹方向分为宽度0.5nm×0.5nm的子区域，用于收集裂尖附件应力应变信息；第二层沿裂纹方向分为宽度1nm×1nm的子区域，用于收集垂直裂纹方向的应力应变信息；5)每隔0.5ps，计算I型和II型断裂每个TSL信息采集子区域内的平均拉伸应力σyy、平均剪切应力τxy，以及子区域界面两边的原子在拉伸方向和剪切方向相对位移的平方和λ，直到界面完全断裂为止；6)根据模式I和模式II局部应力-张开曲线与载荷类型的相关性，以式(6)为基本形式构建CZM模型的TSL函数T(λ)：T(λ)＝A1σyyλ+A2τxyλexp(Bλ)(6)其中T为加载层的累积作用力，A1、A2、B是系数。前述的硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法中，所述采用Tersoff三体势函数描述碳化硅基陶瓷材料内部各原子的相互作用，其具体形式为：E=ΣiEi=12Σi≠jVij,Vij=fC(rij)[Aijexp(-λijrij)-bijBijexp(-μijrij)]]]>fC(rij)=1,rij<Rij12+12cos[π(rij-Rij)/(Sij-Rij),Rij<rij<Sij0,rij>Sij]]>bij=xij(1+Biniξijni)-1/2ni]]>ξij=Σk≠i,jfC(rik)ωikg(θijk)]]>g(θijk)=1+ci2/di2-ci2/[di2+(hi-cosθijk)2].]]>前述的硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法中，不同元素间相互作用的势函数参数用以下混合法则得到：λij＝(λi+λj)/2,μij＝(μi+μj)/2,Aij＝(AiAj)1/2,Bij＝(BiBj)1/2,cij＝(cicj)1/2,dij＝(didj)1/2；其他参数按第一元素的参数取值选取。前述的硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法中，所述碳化硅基陶瓷与金属基体界面的相互作用包括界面处陶瓷原子与金属原子的相互作用和其他陶瓷原子与金属的相互作用；界面处陶瓷原子与金属原子的相互作用按以下方法确定：O-金属的相互作用采用Buckingham函数确定，其基本形式为：U(r)＝Ae-r/P-Cr-6；其他陶瓷原子与金属的相互作用用Morse势函数确定，其基本形式为：V(r)＝-D+D(1-e-A(r-r0))，其中参数取值为：D＝5eV，与现有技术相比，本发明可以根据材料体系生成界面模型，不需要实验提供输入参数，通过采集纳米尺度断裂信息得到准确的界面力学特性。利用此方法能更有效地对不同材料界面进行分析及设计，因而提高了涂层结构的设计效率并大大降低了设计成本。本发明还具有以下特点：1、针对硅碳基陶瓷-金属界面结构提出一种势函数体系，将Tersoff、EAM和Buckingham势函数相结合，准确描述硅碳基陶瓷-基体体系的力学特性；2、提出一种双层区域划分法提取纳米断裂信息，获取内聚力模型的TSL函数参数值，解决了目前获取TSL函数效率低且费时费力的问题，兼顾了准确性和高效性；3、提出一种新的内聚力模型TSL函数形式，比现有TSL函数更为准确。本发明针对硅碳基陶瓷-金属界面结构提出了一种势函数体系，并提出双层区域划分法提取纳米断裂信息，基于新的内聚力模型TSL函数形式建立了MD-CZM关联机制，解决难以通过实验获得CZM参数的问题，兼顾了分析建模的效率和准确性。附图说明图1是TSL信息采集的区域划分结构图；图2是内聚力有限元方法模拟纳米压痕测试图；图3是模拟得到的应力-应变曲线图；图4是模拟得到的载荷-位移曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。实施例。一种硅碳基陶瓷涂层界面力学特性的跨尺度分析方法，其特征在于：采用基于混合法则的Tersoff三体势函数描述碳化硅基陶瓷材料内部各原子的相互作用；采用EAM(EmbeddedAtomMethod)势函数描述金属基体材料内部原子的相互作用；采用Buckingham函数和Morse势函数描述碳化硅基陶瓷与金属基体界面的相互作用；利用大规模MD对材料界面进行I型(拉伸)和II型(剪切)断裂模拟，利用大规模MD断裂模拟中初始裂纹附近的应力和位移参数，提取CZM模型的TSL信息，获得硅碳基陶瓷和金属基体各自的界面TSL函数。所述获得界面TSL函数的具体方法按下述步骤进行：1)在硅碳基陶瓷和金属基体界面处加入一条0.5nm×0.25nm的初始裂纹；2)以盒子底部和顶部1nm范围的原子区域作为加载层，拉伸和剪切加载通过在加载层原子施加作用力实现；3)I型和II型断裂时，每次施加作用力10-10N，并弛豫10ps(NVE系综)使系统达到平衡状态；4)如图1所示，将沿初始裂纹方向±8nm范围作为TSL信息的采集区域，并将采集区域分为两层，第一层沿裂纹方向分为宽度0.5nm×0.5nm的子区域，用于收集裂尖附件应力应变信息；第二层沿裂纹方向分为宽度1nm×1nm的子区域，用于收集垂直裂纹方向的应力应变信息；5)每隔0.5ps，计算I型和II型断裂每个TSL信息采集子区域内的平均拉伸应力σyy、平均剪切应力τxy，以及子区域界面两边的原子在拉伸方向和剪切方向相对位移的平方和λ，直到界面完全断裂为止；6)根据模式I和模式II局部应力-张开曲线与载荷类型的相关性，以式(6)为基本形式构建CZM模型的TSL函数T(λ)：T(λ)＝A1σyyλ+A2τxyλexp(Bλ)(6)其中T为加载层的累积作用力，A1、A2、B是系数。所述采用Tersoff三体势函数描述碳化硅基陶瓷材料内部各原子的相互作用，其具体形式为：E=ΣiEi=12Σi≠jVij,Vij=fC(rij)[Aijexp(-λijrij)-bijBijexp(-μijrij)]]]>fC(rij)=1,rij<Rij12+12cos[π(rij-Rij)/(Sij-Rij),Rij<rij<Sij0,rij>Sij]]>bij=xij(1+Biniξijni)-1/2ni]]>ξij=Σk≠i,jfC(rik)ωikg(θijk)]]>g(θijk)=1+ci2/di2-ci2/[di2+(hi-cosθijk)2].]]>不同元素间相互作用的势函数参数用以下混合法则得到：λij＝(λi+λj)/2,μij＝(μi+μj)/2,Aij＝(AiAj)1/2,Bij＝(BiBj)1/2,cij＝(cicj)1/2,dij＝(didj)1/2；其他参数按第一元素的参数取值选取。采用EAM势函数描述金属基体材料内部原子的相互作用，具所述碳化硅基陶瓷与金属基体界面的相互作用包括界面处陶瓷原子与金属原子的相互作用和其他陶瓷原子与金属的相互作用；界面处陶瓷原子与金属原子的相互作用按以下方法确定：O-金属的相互作用采用Buckingham函数确定，其基本形式为：U(r)＝Ae-r/P-Cr-6；下表为O与几种金属的Buckingham函数参数：其他陶瓷原子与金属的相互作用用Morse势函数确定，其基本形式为：V(r)＝-D+D(1-e-A(r-r0))，其中参数取值为：D＝5eV，可由I型和II型断裂数据点通过最小二乘法拟合得到。本发明进行结果对比及验证为了验证本发明的分析方法，基于上述方法得到了SiCN陶瓷-铜界面的TSL函数，并采用宏观力学方法模拟了纳米压痕测试，从而使计算结果可直接与纳米压痕实验进行对比。初始构型如图2所示。这里采用两套数学模型，模型1采用本发明提出TSL函数，模型2采用现有的TSL函数，两套TSL函数的参数均由本发明提出的信息采集方法获得。如图3和图4所示，在不依赖实验数据的基础上，两个模型得到的应力应变曲线和载荷-位移曲线均与实验数据较为吻合，证明了本申请提出的基于分子模拟获取TSL参数方法的有效性；而模型1比模型2更为接近实验数据结果，说明本发明提出的TSL函数比现有的TSL函数更为准确。当前第1页1 2 3