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基于分子动力学模拟的纳米多晶α-碳化硅变形机制

577   编辑：中冶有色网   来源：施渊吉,陈显冰,吴修娟,王红军,郭训忠,黎军顽  
2024-04-10 13:17:54
硬度仅次于金刚石的α-碳化硅具有质轻、耐高温等优点，在摩擦器件、发动机涡轮叶片以及抗冲击涂层等领域得到了广泛的应用[1] α-碳化硅这些优异的宏观性能本质上是由其微观结构决定的[2] 但是，微观结构影响宏观力学性能的机制尚不明确，从微观结构到宏观性能的跨尺度研究成为当前的热点和难点[3] Bourne等[4]和Millett等[5]对三种等级的α-碳化硅进行了平板冲击和SHPB实验 他们发现，在平板冲击达到最大应力后受冲击的α-碳化硅出现延迟失效现象；而SHPB实验揭示了三种材料之间冲击响应的显著不同，即HEL和剪切强度随着制备工艺的不同而变化 Pickup等[6]也对三种α-碳化硅样品进行了冲击试验，发现这些样品具有相似的密度和晶粒尺寸，但是材料制备工艺不同 Hopkinson压杆实验结果表明，制备方法不同不仅使材料抗冲击强度显著不同，还改变了材料失效的形态 他们还报道了这三种材料在平面冲击中的失效波现象 而实验法研究的局限性，在于很难揭示其内部微观结构和演化规律 相反，分子动力学法(MD)不仅能动态模拟和观察体系中的每个原子运动变状态的变化，还能观察材料内部的微细结构演变成为纳观接触学和实验法辅助研究中的有效计算法[7,8] 在过去的研究中，不少文献给出了单晶α-碳化硅陶瓷在高速载荷下的变形机理和力学性能 南加州大学的Branicio等[9]用分子动力学模拟研究了刚性弹丸以15 km/s的超高速对α-碳化硅单晶板的撞击，发现撞击产生的巨大应力达到150 GPa，冲击波速最高可达24 km/s 模拟结果还发现，应力达到89 GPa以上可观察到α-碳化硅从闪锌矿结构到岩盐矿结构的相变 他们的模拟揭示了由单个位错核心参与的纳米延性诱导的裂纹成核机制 原子损伤机制，涉及从冲击引起的结构转变到塑性变形以及到脆性断裂的动态转变 压缩过程中的剪切应力高达45 GPa，压缩冲击波在自由表面反射后局部拉伸应力达到20 GPa Zhang等[10]采用分子动力学方法初步研究了α-碳化硅的 Hugoniot性质，发现α-碳化硅中冲击引起的塑性变形主要以变形孪晶的形式存在 Makeev等[11]基于Tersoff势的分子动力学模拟，研究了在金刚石弹丸的高超音速速度冲击下非晶α-碳化硅靶的动态损伤响应 在他们的模拟中，在侵彻深度图中发现了四种不同的损伤状态:浅坑形成，深入靶板，深
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纳米多晶 碳化硅
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