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基于分子動力學模擬的納米多晶α-碳化硅變形機制

593   編輯：中冶有色網   來源：施淵吉,陳顯冰,吳修娟,王紅軍,郭訓忠,黎軍頑  
2024-04-10 13:17:54
硬度僅次于金剛石的α-碳化硅具有質輕、耐高溫等優點，在摩擦器件、發動機渦輪葉片以及抗沖擊涂層等領域得到了廣泛的應用[1] α-碳化硅這些優異的宏觀性能本質上是由其微觀結構決定的[2] 但是，微觀結構影響宏觀力學性能的機制尚不明確，從微觀結構到宏觀性能的跨尺度研究成為當前的熱點和難點[3] Bourne等[4]和Millett等[5]對三種等級的α-碳化硅進行了平板沖擊和SHPB實驗 他們發現，在平板沖擊達到最大應力后受沖擊的α-碳化硅出現延遲失效現象；而SHPB實驗揭示了三種材料之間沖擊響應的顯著不同，即HEL和剪切強度隨著制備工藝的不同而變化 Pickup等[6]也對三種α-碳化硅樣品進行了沖擊試驗，發現這些樣品具有相似的密度和晶粒尺寸，但是材料制備工藝不同 Hopkinson壓桿實驗結果表明，制備方法不同不僅使材料抗沖擊強度顯著不同，還改變了材料失效的形態 他們還報道了這三種材料在平面沖擊中的失效波現象 而實驗法研究的局限性，在于很難揭示其內部微觀結構和演化規律 相反，分子動力學法(MD)不僅能動態模擬和觀察體系中的每個原子運動變狀態的變化，還能觀察材料內部的微細結構演變成為納觀接觸學和實驗法輔助研究中的有效計算法[7,8] 在過去的研究中，不少文獻給出了單晶α-碳化硅陶瓷在高速載荷下的變形機理和力學性能 南加州大學的Branicio等[9]用分子動力學模擬研究了剛性彈丸以15 km/s的超高速對α-碳化硅單晶板的撞擊，發現撞擊產生的巨大應力達到150 GPa，沖擊波速最高可達24 km/s 模擬結果還發現，應力達到89 GPa以上可觀察到α-碳化硅從閃鋅礦結構到巖鹽礦結構的相變 他們的模擬揭示了由單個位錯核心參與的納米延性誘導的裂紋成核機制 原子損傷機制，涉及從沖擊引起的結構轉變到塑性變形以及到脆性斷裂的動態轉變 壓縮過程中的剪切應力高達45 GPa，壓縮沖擊波在自由表面反射后局部拉伸應力達到20 GPa Zhang等[10]采用分子動力學方法初步研究了α-碳化硅的 Hugoniot性質，發現α-碳化硅中沖擊引起的塑性變形主要以變形孿晶的形式存在 Makeev等[11]基于Tersoff勢的分子動力學模擬，研究了在金剛石彈丸的高超音速速度沖擊下非晶α-碳化硅靶的動態損傷響應 在他們的模擬中，在侵徹深度圖中發現了四種不同的損傷狀態:淺坑形成，深入靶板，深
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納米多晶 碳化硅
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