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典型硅基陶瓷的结构与性能分子模拟

作　者: 叶雅静
导　师: 张立同；苏克和
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料学
关键词: 硅基结构陶瓷分子模拟无定形态晶界掺杂蠕变氧化吸附
分类号: TQ174.12
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

本文以碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（SiC／SiC）为背景，以原子／电子结构与性能的关联链为主线，采用分子模拟方法，探索了改善几种典型硅基结构陶瓷抗蠕变性和抗氧化性的方法及机理。预测了掺杂后或无定形态的硅基结构陶瓷的性能改变，并从原子／电子层次分析了性能改变的机理，为硅基结构陶瓷材料优化设计提供了新思路与方法。主要研究内容：（1）SiC孪晶界置换掺杂、晶胞置换掺杂、晶胞间隙掺杂B、N、Al、Ti等元素的电子结构，分析掺杂对SiC结合强度及抗蠕变性的影响；（2）无定形Si-B-C-N陶瓷体系在不同温度下的原子结构及原子自扩散行为，在原子层面揭示了其具有优异热稳定性和高温抗蠕变性的原因；（3）SiC掺杂B、N、Al、Ti原子的（111）（2×3）表面吸附O₂后的电子结构，分析掺杂元素对吸附的影响及其机理；（4）SiC掺杂B、N、Al、Ti原子的孪晶界与O相互作用的电子结构，分析掺杂元素对SiC抗氧化性的影响。主要研究结果如下：1．首次运用密度泛函理论，平面波赝势方法，计算了SiC掺杂B、N、Al、Ti体系的电子结构，分析了掺杂元素与SiC本体元素的电子相互作用，表明掺杂位置和掺杂元素种类是影响SiC性能的两个重要因素：（1）掺杂原子与Si、C原子之间的相互作用与掺杂类型（晶界掺杂或晶胞掺杂）和原子成键特征有关。晶界掺杂B、N原子能够强化晶界，晶胞掺杂B、N、Al、Ti等四种原子则会减弱晶胞结合强度。（2）SiC（310）孪晶界置换掺杂体系中，B、N原子与SiC晶界原子的电子相互作用增强，有助于强化晶界原子的结合，阻止原子扩散，有利于提高晶界区域的抗蠕变性；Al对SiC（310）孪晶界电子结构的影响不明显，对晶界结合强度影响小；Ti与SiC（310）孪晶界原子的电子相互作用强度显著降低，晶界区原子结合减弱，不利于提高晶界区域的抗蠕变性。（3）SiC晶胞内部（置换Si原子或八面体间隙）掺杂B、N、Al、Ti等原子后，SiC晶胞的结合强度减弱，弱化的程度随着掺杂B、N、Al、Ti的顺序逐渐增强。（4）布居分析、差分电荷密度、电子态密度等三种计算方法相互补充，可以作为判断掺杂对材料结合强化-弱化影响的依据。2．研究表明，影响无定形Si-B-C-N体系原子自扩散系数的根本原因是原子键合强度。在组元摩尔比相同的情况下，无定形体系的组元种类越多，原子自扩散系数越小，高温下越不易发生晶化，因此热稳定性好。从而揭示了原子自扩散系数是影响无定形Si-B-C-N陶瓷材料抗蠕变性的根本原因，为多元无定形陶瓷的设计提供了理论指导。3．采用密度泛函理论，平面波赝势方法计算了掺杂原子的SiC表面吸附分子氧的电子结构，理论计算表明O₂在掺杂原子的SiC（111）（2×3）表面都发生解离型化学吸附。吸附位置对掺杂原子类型有选择，在掺杂Al原子的SiC表面为穴位吸附，吸附能最低；在未掺杂及掺杂B、Ti原子的SiC表面为顶位吸附，吸附能较高；在掺杂N原子的表面为桥位吸附，吸附能最高。电子态密度的分析表明，吸附过程的本质是氧原子价轨道与掺杂原子价轨道之间相互作用导致的电子转移。4．掺杂原子的SiC晶界与氧原子相互作用的电子结构计算表明，SiC（310）孪晶界掺杂B、N、Al、Ti等原子对其抗氧化性有不同影响：B原子会与O原子优先成键而保护Si原子不被氧化；Al、Ti原子与O原子成键的离子性更强，其相互作用小于共价性更强的Si-O键，因此对Si的保护作用不及B原子；与Si、O原子相比，N原子与O原子不易成键，因此N原子难以保护Si原子。在四种掺杂元素中，只有B元素对改善SiC晶界的抗氧化性有积极作用，可以作为SiC抗氧化性掺杂元素的首选。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
本文的主要创新与贡献  9-10
目录  10-13
第一章绪论  13-33
  1.1 材料科学与工程研究内容  13-18
    1.1.1 分子模拟/计算材料学在国内外的发展及其现状  14-15
    1.1.2 原子/电子结构与性能关联链的研究现状  15-18
      1.1.2.1 掺杂对材料性能影响的研究  15-16
      1.1.2.2 晶体结构对材料性能影响的研究  16-18
  1.2 典型硅基结构陶瓷概述  18-21
    1.2.1 碳化硅结构陶瓷概述  18-19
    1.2.2 硅基结构陶瓷的高温抗蠕变性能研究  19-20
    1.2.3 硅基结构陶瓷的抗氧化性研究  20-21
  1.3 本文的选题依据、研究目的、内容及技术路线  21-24
    1.3.1 选题依据  21-22
    1.3.2 研究目的  22
    1.3.3 研究内容  22
    1.3.4 技术路线  22-24
  参考文献  24-33
第二章分子模拟方法  33-51
  2.1 第一性原理计算方法  33-40
    2.1.1 基本概念  33-35
    2.1.2 密度泛函理论  35-37
    2.1.3 平面波赝势方法  37-40
      2.1.3.1 超软赝势  37-39
      2.1.3.2 固体中超软赝势公式  39-40
  2.2 分子轨道理论  40-41
    2.2.1 基本概念  40-41
    2.2.2 分子轨道的形成  41
  2.3 分子力学方法  41-45
    2.3.1 力场  41-42
    2.3.2 分子力学原理  42-44
    2.3.3 能量极小化算法  44-45
  2.4 分子动力学方法  45-48
    2.4.1 基本原理  45-47
    2.4.2 分子动力学的应用  47-48
      2.4.2.1 径向分布函数  47
      2.4.2.2 扩散系数  47-48
  参考文献  48-51
第三章多元无定形SI-B-C-N体系的原子结构特征及原子扩散行为  51-69
  3.1 无定形B-C-体系结构特征及扩散行为  52-60
    3.1.1 模拟细节及过程  53
    3.1.2 结构特征分析  53-58
      3.1.2.1 径向分布函数 (Radial Distribution Function, RDF)  53-56
      3.1.2.2 配位数(Coordination Number, CN)  56-58
    3.1.3 扩散行为分析  58-60
    3.1.4 小结  60
  3.2 无定形Si-B-C体系扩散行为  60-64
    3.2.1 模拟过程  60-61
    3.2.2 扩散行为分析  61-64
    3.2.3 小结  64
  3.3 无定形Si-B-C-N体系扩散行为分析  64-66
  3.4 本章小结  66
  参考文献  66-69
第四章掺杂对SIC结合强度及抗蠕变性影响的机理  69-103
  4.1 SiC孪晶界掺杂  70-83
    4.1.1 计算参数设置  71
    4.1.2 结构优化  71-72
    4.1.3 布居分析  72-74
    4.1.4 差分电荷密度分析  74-78
    4.1.5 电子态密度分析  78-82
    4.1.6 小结  82-83
  4.2 SiC晶胞置换掺杂  83-89
    4.2.1 计算参数设置  83-84
    4.2.2 布居分析  84-85
    4.2.3 差分电荷密度分析  85
    4.2.4 电子态密度分析  85-87
    4.2.5 小结  87-89
  4.3 SiC晶胞间隙掺杂  89-99
    4.3.1 计算参数设置  89
    4.3.2 结构优化  89-90
    4.3.3 布居分析  90-92
    4.3.4 差分电荷密度  92-94
    4.3.5 电子态密度分析  94-98
    4.3.6 小结  98-99
  4.4 本章小结  99
  参考文献  99-103
第五章掺杂对SIC表面吸附分子氧的影响机理  103-115
  5.1 O_2在SiC(111)(2×3)表面的吸附  103-112
    5.1.1 计算参数设置  104
    5.1.2 结构优化  104-106
    5.1.3 O_2分子与SiC表面相互作用分析  106-108
    5.1.4 布居分析  108-110
    5.1.5 电子态密度分析  110-112
  5.2 本章小结  112-113
  参考文献  113-115
第六章掺杂对SIC晶界抗氧化性的影响机理  115-123
  6.1 SiC孪晶界掺杂原子与氧相互作用的电子结构  115-122
    6.1.1 计算参数设置  115
    6.1.2 结构优化  115-116
    6.1.3 布居分析  116-118
    6.1.4 差分电荷密度  118-119
    6.1.5 电子态密度分析  119-122
  6.2 本章小结  122-123
结论  123-125
附录攻读博士学位期间发表的学术论文  125-127
致谢  127-128

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