SiC-C界面輻照損傷及傳熱性能的分子動力學研究.pdf

1、SiC纖維增強SiC復合材料因其具有高溫強度高、抗蠕變能力強、耐腐蝕性好、抗熱沖擊以及誘導放射性和放射余熱低等一系列優(yōu)異的性能而成為先進裂變堆和聚變堆的候選結構材料。
　　盡管SiC/SiC復合材料的綜合性能已經得到了很大的提高，但在輻照條件下SiC纖維與其表面熱解碳界面的損傷仍會導致材料力學性能發(fā)生退化，而目前SiC/C界面的輻照損傷機制尚不明確。同時，受輻照后，界面熱導也會隨之發(fā)生變化。
　　本文首先分別采用平衡態(tài)和反干

2、擾非平衡態(tài)分子動力學方法計算了85 K下液態(tài)Ar的熱導率，分別為0.129和0.122 W/(m·K)，均與實驗值0.1322 W/(m·K)相接近，驗證了LAMMPS軟件的可靠性。其次，以SiC為研究對象，進行有限尺寸效應研究，發(fā)現熱流方向存在有限尺寸效應，非熱流方向不存在有限尺寸效應。最后，計算了SiC的熱導率隨溫度的變化趨勢，模擬結果與Taylor實驗值基本吻合，并利用有限尺寸效應，外推出宏觀尺寸300 K下SiC和325 K下石

3、墨的熱導率，分別為163.93和322.58 W/(m·K)，與文獻中計算得到的SiC和石墨的熱導率177.46和241.66 W/(m·K)數量級相同。
　　在完成上述對軟件和計算方法驗證的前提下，本文通過分子動力學模擬方法，參考實際材料中SiC纖維和表面熱解碳的結構，分別建立了石墨片層和SiC晶體界面角度為0.00°、28.56°、56.71°、77.32°和90.00°的模型，并簡記為M0、M28、M56、M77和M90。一

4、方面研究了5種模型中SiC/C界面受1.5 keV的Si原子輻照后的缺陷分布情況，包括缺陷數量和分布隨時間以及初級碰撞原子位置的變化關系。其中初級碰撞原子距離界面分別為1a0、2a0、3a0和4a0（a0為SiC晶格常數），并與單質SiC中缺陷分布情況進行對比。利用徑向分布函數分析了輻照對界面原子排列情況的影響。研究結果表明，SiC/C界面Si和C（SiC）原子的離位閾能均明顯低于SiC內部同類原子的離位閾能，說明界面抗輻照能力低于Si

5、C內部，同時界面角度對界面缺陷數量存在一定影響。由徑向分布函數推得界面區(qū)域石墨原子密度越高則界面原子排列情況受輻照影響越大。
　　另一方面，使用rNEMD方法計算了上述5種模型受1 keV的Si原子輻照后界面的導熱行為，并與未輻照的模型進行對比，研究界面結構以及輻照對界面熱導產生的影響。同時，從中選取M0模型，計算界面受初始能量分別為0.25、0.5、0.75和1 keV的Si輻照后的界面熱導，研究輻照劑量對界面熱導的影響。研究結

6、果表明，界面能隨界面之間共價鍵的數量增大而增大，對于同一個模型輻照使界面能增加。除了M90模型以外，其余模型的界面熱導均分別隨模型界面能的增大而增大。對于全部模型，晶格缺陷是影響界面熱導的重要因素之一。對于 M90模型，輻照后界面熱導升高，而其余模型輻照后界面熱導下降。為了更好地解釋這一現象，本文計算了界面左右共10層原子的聲子振動態(tài)密度，通過比較來分析界面結構以及由輻照缺陷造成的聲子失配情況。研究結果表明，界面區(qū)域以及輻照缺陷區(qū)域的聲