典型硅基陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能分子模擬.pdf

1、本文以碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(SiC/SiC)為背景，以原子/電子結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)聯(lián)鏈為主線，采用分子模擬方法，探索了改善幾種典型硅基結(jié)構(gòu)陶瓷抗蠕變性和抗氧化性的方法及機(jī)理。預(yù)測(cè)了摻雜后或無(wú)定形態(tài)的硅基結(jié)構(gòu)陶瓷的性能改變，并從原子/電子層次分析了性能改變的機(jī)理，為硅基結(jié)構(gòu)陶瓷材料優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新思路與方法。主要研究?jī)?nèi)容：(1)SiC孿晶界置換摻雜、晶胞置換摻雜、晶胞間隙摻雜B、N、Al、Ti等元素的電子結(jié)構(gòu)，分析摻雜對(duì)SiC結(jié)

2、合強(qiáng)度及抗蠕變性的影響；(2)無(wú)定形Si-B-C-N陶瓷體系在不同溫度下的原子結(jié)構(gòu)及原子自擴(kuò)散行為，在原子層面揭示了其具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性和高溫抗蠕變性的原因；(3)SiC摻雜B、N、Al、Ti原子的(111)(2×3)表面吸附O<,2>后的電子結(jié)構(gòu)，分析摻雜元素對(duì)吸附的影響及其機(jī)理；(4)SiC摻雜B、N、Al、Ti原子的孿晶界與O相互作用的電子結(jié)構(gòu)，分析摻雜元素對(duì)SiC抗氧化性的影響。主要研究結(jié)果如下： 1．首次運(yùn)用密度泛函理論

3、，平面波贗勢(shì)方法，計(jì)算了SiC摻雜B、N、Al、Ti體系的電子結(jié)構(gòu)，分析了摻雜元素與SiC本體元素的電子相互作用，表明摻雜位置和摻雜元素種類是影響SiC性能的兩個(gè)重要因素。 (1)摻雜原子與Si、C原子之間的相互作用與摻雜類型(晶界摻雜或晶胞摻雜)和原子成鍵特征有關(guān)。晶界摻雜B、N原子能夠強(qiáng)化晶界，晶胞摻雜B、N、Al、Ti等四種原子則會(huì)減弱晶胞結(jié)合強(qiáng)度。 (2)SiC(3 10)孿晶界置換摻雜體系中，B、N原子與SiC

4、晶界原子的電子相互作用增強(qiáng)，有助于強(qiáng)化晶界原子的結(jié)合，阻止原子擴(kuò)散，有利于提高晶界區(qū)域的抗蠕變性；Al對(duì)SiC(310)孿晶界電子結(jié)構(gòu)的影響不明顯，對(duì)晶界結(jié)合強(qiáng)度影響??；Ti與SiC(310)孿晶界原子的電子相互作用強(qiáng)度顯著降低，晶界區(qū)原子結(jié)合減弱，不利于提高晶界區(qū)域的抗蠕變性。 (3)SiC晶胞內(nèi)部(置換Si原子或八面體間隙)摻雜B、N、Al、Ti等原子后，SiC晶胞的結(jié)合強(qiáng)度減弱，弱化的程度隨著摻雜B、N、Al、Ti的順序逐

5、漸增強(qiáng)。 (4)布居分析、差分電荷密度、電子態(tài)密度等三種計(jì)算方法相互補(bǔ)充，可以作為判斷摻雜對(duì)材料結(jié)合強(qiáng)化．弱化影響的依據(jù)。 2．研究表明，影響無(wú)定形Si-B-C-N體系原子自擴(kuò)散系數(shù)的根本原因是原子鍵合強(qiáng)度。在組元摩爾比相同的情況下，無(wú)定形體系的組元種類越多，原子自擴(kuò)散系數(shù)越小，高溫下越不易發(fā)生晶化，因此熱穩(wěn)定性好。從而揭示了原子自擴(kuò)散系數(shù)是影響無(wú)定形Si-B-C-N陶瓷材料抗蠕變性的根本原因，為多元無(wú)定形陶瓷的設(shè)計(jì)提供

6、了理論指導(dǎo)。 3．采用密度泛函理論，平面波贗勢(shì)方法計(jì)算了摻雜原子的SiC表面吸附分子氧的電子結(jié)構(gòu)，理論計(jì)算表明O<,2>在摻雜原子的SiC(111)(2×3)表面都發(fā)生解離型化學(xué)吸附。吸附位置對(duì)摻雜原子類型有選擇，在摻雜Al原子的SiC表面為穴位吸附，吸附能最低；在未摻雜及摻雜B、Ti原子的SiC表面為頂位吸附，吸附能較高；在摻雜N原子的表面為橋位吸附，吸附能最高。電子態(tài)密度的分析表明，吸附過(guò)程的本質(zhì)是氧原子價(jià)軌道與摻雜原子價(jià)軌

7、道之間相互作用導(dǎo)致的電子轉(zhuǎn)移。 4．摻雜原子的SiC晶界與氧原子相互作用的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，SiC(310)孿晶界摻雜B、N、Al、Ti等原子對(duì)其抗氧化性有不同影響：B原子會(huì)與O原子優(yōu)先成鍵而保護(hù)Si原子不被氧化；Al、Ti原子與O原子成鍵的離子性更強(qiáng)，其相互作用小于共價(jià)性更強(qiáng)的Si-O鍵，因此對(duì)Si的保護(hù)作用不及B原子；與Si、O原子相比，N原子與O原子不易成鍵，因此N原子難以保護(hù)Si原子。在四種摻雜元素中，只有B元素對(duì)改善S