本發(fā)明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。
背景技術：
：隨著近代超音速飛機、火箭、人造衛(wèi)星以及原子能等尖端新技術的發(fā)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(fā)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(yōu)異的機械性能，良好的性價比優(yōu)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(fā)動機是一個前景廣闊的領域。使用陶瓷熱障涂層制成的發(fā)動機渦輪葉片能在1600℃的高溫下運行,這樣可以提高發(fā)動機的熱效率到60％以上。因此，耐高溫陶瓷涂層的發(fā)展將對汽車和航天等工業(yè)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(huán)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(tǒng)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(tǒng)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-separationlaws(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。技術實現要素：本發(fā)明的目的在于，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。本發(fā)明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。本發(fā)明的技術方案：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(guī)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(guī)模MD對材料界面進行I型和II型斷裂模擬，利用大規(guī)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(qū)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(tǒng)達到平衡狀態(tài)；4)將沿初始裂紋方向±8nm范圍作為TSL信息的采集區(qū)域，并將采集區(qū)域分為兩層，第一層沿裂紋方向分為寬度0.5nm×0.5nm的子區(qū)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(qū)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(qū)域內的平均拉伸應力σyy、平均剪切應力τxy，以及子區(qū)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=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層界面力學特性的跨尺度分析方法中，不同元素間相互作用的勢函數參數用以下混合法則得到：λij＝(λi+λj)/2,μij＝(μi+μj)/2,Aij＝(AiAj)1/2,Bij＝(BiBj)1/2,cij＝(cicj)1/2,dij＝(didj)1/2；其他參數按第一元素的參數取值選取。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，所述碳化硅基陶瓷與金屬基體界面的相互作用包括界面處陶瓷原子與金屬原子的相互作用和其他陶瓷原子與金屬的相互作用；界面處陶瓷原子與金屬原子的相互作用按以下方法確定：O-金屬的相互作用采用Buckingham函數確定，其基本形式為：U(r)＝Ae-r/P-Cr-6；其他陶瓷原子與金屬的相互作用用Morse勢函數確定，其基本形式為：V(r)＝-D+D(1-e-A(r-r0))，其中參數取值為：D＝5eV，與現有技術相比，本發(fā)明可以根據材料體系生成界面模型，不需要實驗提供輸入參數，通過采集納米尺度斷裂信息得到準確的界面力學特性。利用此方法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。本發(fā)明還具有以下特點：1、針對硅碳基陶瓷-金屬界面結構提出一種勢函數體系，將Tersoff、EAM和Buckingham勢函數相結合，準確描述硅碳基陶瓷-基體體系的力學特性；2、提出一種雙層區(qū)域劃分法提取納米斷裂信息，獲取內聚力模型的TSL函數參數值，解決了目前獲取TSL函數效率低且費時費力的問題，兼顧了準確性和高效性；3、提出一種新的內聚力模型TSL函數形式，比現有TSL函數更為準確。本發(fā)明針對硅碳基陶瓷-金屬界面結構提出了一種勢函數體系，并提出雙層區(qū)域劃分法提取納米斷裂信息，基于新的內聚力模型TSL函數形式建立了MD-CZM關聯機制，解決難以通過實驗獲得CZM參數的問題，兼顧了分析建模的效率和準確性。附圖說明圖1是TSL信息采集的區(qū)域劃分結構圖；圖2是內聚力有限元方法模擬納米壓痕測試圖；圖3是模擬得到的應力-應變曲線圖；圖4是模擬得到的載荷-位移曲線圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但并不作為對本發(fā)明限制的依據。實施例。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(EmbeddedAtomMethod)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(guī)模MD對材料界面進行I型(拉伸)和II型(剪切)斷裂模擬，利用大規(guī)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。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(qū)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(NVE系綜)使系統(tǒng)達到平衡狀態(tài)；4)如圖1所示，將沿初始裂紋方向±8nm范圍作為TSL信息的采集區(qū)域，并將采集區(qū)域分為兩層，第一層沿裂紋方向分為寬度0.5nm×0.5nm的子區(qū)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(qū)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(qū)域內的平均拉伸應力σyy、平均剪切應力τxy，以及子區(qū)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。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=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].]]>不同元素間相互作用的勢函數參數用以下混合法則得到：λij＝(λi+λj)/2,μij＝(μi+μj)/2,Aij＝(AiAj)1/2,Bij＝(BiBj)1/2,cij＝(cicj)1/2,dij＝(didj)1/2；其他參數按第一元素的參數取值選取。采用EAM勢函數描述金屬基體材料內部原子的相互作用，具所述碳化硅基陶瓷與金屬基體界面的相互作用包括界面處陶瓷原子與金屬原子的相互作用和其他陶瓷原子與金屬的相互作用；界面處陶瓷原子與金屬原子的相互作用按以下方法確定：O-金屬的相互作用采用Buckingham函數確定，其基本形式為：U(r)＝Ae-r/P-Cr-6；下表為O與幾種金屬的Buckingham函數參數：其他陶瓷原子與金屬的相互作用用Morse勢函數確定，其基本形式為：V(r)＝-D+D(1-e-A(r-r0))，其中參數取值為：D＝5eV，可由I型和II型斷裂數據點通過最小二乘法擬合得到。本發(fā)明進行結果對比及驗證為了驗證本發(fā)明的分析方法，基于上述方法得到了SiCN陶瓷-銅界面的TSL函數，并采用宏觀力學方法模擬了納米壓痕測試，從而使計算結果可直接與納米壓痕實驗進行對比。初始構型如圖2所示。這里采用兩套數學模型，模型1采用本發(fā)明提出TSL函數，模型2采用現有的TSL函數，兩套TSL函數的參數均由本發(fā)明提出的信息采集方法獲得。如圖3和圖4所示，在不依賴實驗數據的基礎上，兩個模型得到的應力應變曲線和載荷-位移曲線均與實驗數據較為吻合，證明了本申請?zhí)岢龅幕诜肿幽M獲取TSL參數方法的有效性；而模型1比模型2更為接近實驗數據結果，說明本發(fā)明提出的TSL函數比現有的TSL函數更為準確。當前第1頁1 2 3