SiC-C界面輻照損傷及傳熱性能的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、SiC纖維增強(qiáng)SiC復(fù)合材料因其具有高溫強(qiáng)度高、抗蠕變能力強(qiáng)、耐腐蝕性好、抗熱沖擊以及誘導(dǎo)放射性和放射余熱低等一系列優(yōu)異的性能而成為先進(jìn)裂變堆和聚變堆的候選結(jié)構(gòu)材料。
　　盡管SiC/SiC復(fù)合材料的綜合性能已經(jīng)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(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能發(fā)生退化，而目前SiC/C界面的輻照損傷機(jī)制尚不明確。同時(shí)，受輻照后，界面熱導(dǎo)也會(huì)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(dòng)力學(xué)方法計(jì)算了85 K下液態(tài)Ar的熱導(dǎo)率，分別為0.129和0.122 W/(m·K)，均與實(shí)驗(yàn)值0.1322 W/(m·K)相接近，驗(yàn)證了LAMMPS軟件的可靠性。其次，以SiC為研究對(duì)象，進(jìn)行有限尺寸效應(yīng)研究，發(fā)現(xiàn)熱流方向存在有限尺寸效應(yīng)，非熱流方向不存在有限尺寸效應(yīng)。最后，計(jì)算了SiC的熱導(dǎo)率隨溫度的變化趨勢(shì)，模擬結(jié)果與Taylor實(shí)驗(yàn)值基本吻合，并利用有限尺寸效應(yīng)，外推出宏觀尺寸300 K下SiC和325 K下石

3、墨的熱導(dǎo)率，分別為163.93和322.58 W/(m·K)，與文獻(xiàn)中計(jì)算得到的SiC和石墨的熱導(dǎo)率177.46和241.66 W/(m·K)數(shù)量級(jí)相同。
　　在完成上述對(duì)軟件和計(jì)算方法驗(yàn)證的前提下，本文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，參考實(shí)際材料中SiC纖維和表面熱解碳的結(jié)構(gòu)，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(jiǎn)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(shù)量和分布隨時(shí)間以及初級(jí)碰撞原子位置的變化關(guān)系。其中初級(jí)碰撞原子距離界面分別為1a0、2a0、3a0和4a0（a0為SiC晶格常數(shù)），并與單質(zhì)SiC中缺陷分布情況進(jìn)行對(duì)比。利用徑向分布函數(shù)分析了輻照對(duì)界面原子排列情況的影響。研究結(jié)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(nèi)部同類(lèi)原子的離位閾能，說(shuō)明界面抗輻照能力低于Si

5、C內(nèi)部，同時(shí)界面角度對(duì)界面缺陷數(shù)量存在一定影響。由徑向分布函數(shù)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(jì)算了上述5種模型受1 keV的Si原子輻照后界面的導(dǎo)熱行為，并與未輻照的模型進(jìn)行對(duì)比，研究界面結(jié)構(gòu)以及輻照對(duì)界面熱導(dǎo)產(chǎn)生的影響。同時(shí)，從中選取M0模型，計(jì)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(dǎo)，研究輻照劑量對(duì)界面熱導(dǎo)的影響。研究結(jié)

6、果表明，界面能隨界面之間共價(jià)鍵的數(shù)量增大而增大，對(duì)于同一個(gè)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(dǎo)均分別隨模型界面能的增大而增大。對(duì)于全部模型，晶格缺陷是影響界面熱導(dǎo)的重要因素之一。對(duì)于 M90模型，輻照后界面熱導(dǎo)升高，而其余模型輻照后界面熱導(dǎo)下降。為了更好地解釋這一現(xiàn)象，本文計(jì)算了界面左右共10層原子的聲子振動(dòng)態(tài)密度，通過(guò)比較來(lái)分析界面結(jié)構(gòu)以及由輻照缺陷造成的聲子失配情況。研究結(jié)果表明，界面區(qū)域以及輻照缺陷區(qū)域的聲