SiCCu复合材料的界面模拟与分析 毕业论文.doc
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1、郑州航空工业管理学院毕 业 论 文(设 计) 2012 届 材料成型及控制工程 专业 0806092 班级题 目 SiC/Cu复合材料的界面模拟与分析 姓 名 学号 指导教师 职称 教授 2012 年 5 月 25 日内 容 摘 要SiC/Cu复合材料具有优异的力学、热学和电学性能,有着非常广阔的应用前景。两相界面润湿性和增强体相分散的均匀性是影响复合材料性能的重要因素。为了提高SiC-Cu界面的润湿性,科学家已经采用了许多工艺,在先前的研究中,通过用电学方法制备铜包裹碳化硅复合粉体。尽管对界面结合的过程做了许多研究,但是目前对包裹过程还未能从理论上得到解释,阻碍了对该复合材料体系的深入理解。
2、计算机用虚拟的方法可以模拟实验中的微观现象,从而探索由经验难以获得的理论。因此采用计算机研究SiC/Cu包裹粉体的界面行为是很有意义的。本论文以SiC/Cu复合体系为研究对象,采用非均相沉淀包裹法,将Cu包裹到SiC颗粒的表面;采用基于总能量的第一性原理平面波赝势CASTEP码对SiC与Cu体系的界面结合状态进行了系统研究,分别计算了SiC-Cu、SiC-SiO2-Cu、SiC-Cu2O-Cu、SiC-SiO2-Cu2O-Cu(没有氧桥)、SiC-SiO2-Cu2O-Cu(有氧桥)等五种界面结构的界面宽度、界面结合能等重要参数。第一性原理模拟计算结果表明,界面结合能的大小依次为有氧桥的SiC-
3、SiO2-Cu2O-Cu (5.44 eV/2)、SiC-SiO2-Cu(2.82 eV/2)、SiCCu(1.06 eV/2)、没有氧桥的SiC-SiO2-Cu2O-Cu(0.86 eV/2)、SiC -Cu2O-Cu(1.98 eV/2)。在有氧桥存在的情况下,界面的结合能和稳定性都是最高的。关键词SiC/Cu复合粉体,非均相沉淀包裹法,界面行为,第一性原理Simulation and analysis of SiC/Cu composites interface AbstractSiC/Cu composites have unique mechanical, thermal, and
4、electrical properties, and have many applications in various prospects. The wetting of SiC with Cu in the interfaces and their homogeneous dispersion are two key factors, which remarkably influence the properties of the SiC/Cu composites. To improve the wetting of the SiC-Cu interfaces, many researc
5、hers have proposed coating methods. In our previous work, Cu-coated SiC composites particles were prepared using an electroless method. Even though many studies were performed to illustrate the coating behavior, no convincing theory on the coating process was reported. The related simulation of the
6、SiC/Cu system has not been reported. Some microscopic processes in experiments can be visually simulated by computer. It is, therefore, of great significance to investigate the coating process by the computer-simulation approach. In this study, SiC/Cu composites powders were synthesized by a heterog
7、eneous precipitation coating method. The interfacial structure in the SiC/Cu composites were also simulated and calculated by molecular dynamics and the first-principle relaxation method. The interface widths and binding energies of the systems of SiC-Cu, SiC-SiO2-Cu, SiC-Cu2O-Cu, SiC-SiO2-Cu2O-Cu (
8、without oxide-bridge) and SiC-SiO2-Cu2O-Cu (with oxide-bridge) were calculated.The binding energies of the interfaces in the SiC-Cu system were calculated by the first principle, and the obtained values could be listed as followings in an up-down order: SiC-SiO2-Cu2O-Cu with oxide-bridge (5.44 eV/2)
9、, SiC-SiO2-Cu (2.82 eV/2), SiCCu (1.98 eV/2), SiC-SiO2-Cu2O-Cu without oxide-bridge (1.06 eV/2), SiC -Cu2O-Cu (0.86 eV/2). It is obvious that the binding energy of the interfaces in SiC-SiO2-Cu2O-Cu with oxide-bridges has the highest value, which suggests that the interfaces with oxide-bridges have
10、the highest stability. KeywordsSiC/Cu composites, heterogeneous precipitation method, interface behaviors, the first principle 目 录内 容 摘 要IIAbstractIV第一章 绪 论11.1 SiC/Cu复合材料11.2计算机模拟在材料分析计算中的应用51.3 本课题的目的意义、研究内容与技术关键8第二章 SiC/Cu复合材料的制备与性能表征102.1 实验原料及仪器设备102.2 实验过程112.3 结果与讨论12第三章 用MS软件对SiC/Cu复合材料的界面结构
11、进行模拟与计算203.1 Material Studio简介203.2 SiC-Cu体系界面结构第一原理计算与分析21第四章 全 文 结 论31致 谢32参考文献33VISiC/Cu复合材料的界面模拟与分析08009218 宋子豪 指导教师 张锐 教授第一章 绪 论1.1 SiC/Cu复合材料1.1.1 SiC、Cu材料的性能特征Cu是自然界导电和导热性能非常优良的材料,与银相比,质量小、熔点高、成本低;而与铝相比,电导率和热导率远远高于铝。表1.1 所示为Cu的基本性能。表1.1. Cu的基本性能Table 1.1. The performance of Cu密度/gcm-3熔点/ oC电阻
12、率/ cm20oC热导率/ Wm-1K-1(0100oC)平均比热/ Jkg-1K-1(0100oC)8.9610831.69410-6397386SiC在传统工业中得到了广泛的应用,是理想的结构陶瓷材料。它具有多种晶型,如3C、4H、6H等,不同结晶形态都具有较高的机械强度、好的热物理性能。SiC陶瓷材料具有弹性模量高、抗氧化性能好以及高温强度大等优越性能。表1.2 所示为SiC的基本性能。表1.2. SiC的基本性能1Table 1.2. The properties of SiC密度/gcm-3熔点/电阻率/m热导率/Wm-1K-1比热/Jkg-1K-13.2260010-7101162
13、812563994热膨胀系数10-6/弹性模量GPa显微硬度GPa抗弯强度GPa耐压强度GPa57133680327301522210SiC/Cu复合材料结合了二者的优点,具有优异的力学、热学和电学性能,有着非常广阔的应用前景。1.1.2 SiC/Cu复合材料的应用SiC/Cu复合材料具有十分广阔的应用领域,如:(1)用作航空航天飞行器材料构架、半导体元件基片、电接触开关、电子封装、继电器、热交换器等材料。在实际应用过程中,使用可靠性是材料必须解决的极其重要的因素。如宇宙探测器装置内的电路中使用的各种大小继电器必须具有极高的使用可靠性,在极端恶劣的环境以及高热冲击条件下,材料性能必须保持稳定。
14、(2)用作焊接工业中电阻焊、电弧焊等电极材料。满足高强度、高导热、高导电、抗电弧腐蚀以及高电流密度等使用条件的要求。(3) 用作放电加工或电化学加工设备的电极材料。既要满足承受强电流密度、高热冲击等要求,同时具备高的高温强度和高耐磨性。(4) 用作机械动力传输构件中的轴承材料,承受高温、高载荷。如高耐磨刹车片,内燃机活塞,高温挺柱,拉丝模、喷嘴齿轮、传动轮、摩擦轮,发动机叶轮,车身板及车体材料。因为SiC基金属陶瓷的比重比传统钢材等小得多,可以减轻汽车重量和减小汽车制动距离。(5) 纳米SiC基金属陶瓷进行特殊工艺处理,利用其导热率高(约为Al2O3陶瓷的10倍)和与Si匹配性好的特点,开拓其
15、在微电子学方面如陶瓷基片及电子封装等领域的应用。1.1.3 SiC/Cu复合材料体系的发展前景与现状对SiC/Cu复合材料体系的研究是近十年的研究成果。根据以色列科学家Pelleg2于1996年的报道,“尽管有很多金属基复合材料的报道,但此前还没有任何有关SiC/Cu复合材料体系的报道”。根据他们的研究结果,1100oC下熔融Cu在SiC界面的润湿角q140o,两相之间不润湿 3。而润湿和界面结合是SiCf/Cu复合材料制备过程中的两个最重要的参数。他们的研究结果表明,快速烧结有利于避免SiC/Cu的界面反应。美国科学家Yih 4等在1996年发表的文章中同样指出“至今没有相关纤维增强Cu基复
16、合材料的报道,不管纤维材料是SiC或其它物质。”从这一点来讲,该金属陶瓷复合材料体系的研究确实是近几年的研究成果。他们对比两种不同方法获得的SiC晶须与Cu的复合粉体,其中之一即是将SiC晶须与Cu粉体进行传统的机械混合,另一种则是采用化学镀结合电镀的方法将Cu包裹在SiC晶须表面。采用包裹方法获得的SiCw/Cu烧结体复合材料与直接混合获得的样品相比,气孔率较低,硬度较高,抗压屈服强度较高,热膨胀系数较低,电阻率较低,热导率较高。这些结果说明,采用传统的直接机械混合方法无法获得结构致密、性能优良的SiCw/Cu金属陶瓷复合材料。对于润湿性差的金属陶瓷复合材料样品,采用包裹工艺获得包裹的SiC
17、w/Cu包裹复合粉体,不仅可以提高SiC在Cu基体中的体积分数,并且可以大大提高烧结复合材料样品的性能。Chang 5等也于1996年报道了采用包裹方法制备SiCw/Cu复合材料。他们采用化学镀的方法将Cu颗粒包裹到SiC晶须表面6。SiC晶须的加入显著提高了Cu的力学性能而其延展性可以保持较高的水平。Lee 7等对SiCp/Cu金属陶瓷复合材料的热学性能、耐化学腐蚀及抗弯强度等进行了研究。同样比较了直接混合和颗粒包裹两种工艺方法制备的复合材料的性能。对热压烧结样品性能检测的结果显示,采用包裹粉体制备的样品性能优于直接混合方法制备的样品。SiCp/Cu金属陶瓷复合材料的致密度、热膨胀系数和热导
18、率随着SiC含量的增加而降低。烧结过程中施加的压力越大,则样品的致密度越高,但过高的压力容易引起SiC颗粒的脆性断裂,尤其是在SiC颗粒含量较高的样品中,这种现象严重。An8等利用真空镀膜的方法将Cu沉积在SiC基板上,然后在250950oC下退火,通过光电子波谱方法观察SiC-Cu的界面反应,发现在SiC-Cu的界面处发生了化学反应,生成Cu3Si。这种化学反应将降低SiC对Cu的增强效果。对已公开的研究进行分析发现,采用包裹方法解决了SiC/Cu界面润湿和分散的均匀性的问题。在我们早期的研究中,采用非均相沉淀法制备获得了SiC/Cu包裹粉体。虽然许多报道解释了实验包裹行为,然而复合材料的界
19、面动力学过程是一个相当复杂的过程,在实验室中又难以以一种很直观的方式表现出来,因此对包裹的细节过程还未从理论上得到证实,这就对我们研究该界面体系造成了很大的障碍。目前,随着晶体生长理论研究技术和手段的发展,特别是基于现代计算机技术发展而产生的数学建模和模拟,运用随机过程理论和统计实验方法,通过相应参数的调整,可以获得更为接近实际晶体生长动力学过程的描述9。复合材料的相界与晶界对复合材料的性能中有重要影响,这一领域的研究方向就是建立界面结构特征与其物化性质之间的联系。我们探索通过模拟SiC/Cu包裹粉体在不同条件下的构型,用直观的方式表达出复合材料在各种条件下的界面特征,从而得到材料在不同条件下
20、的性质。本课题能加深对金属陶瓷界面的理解,为进一步的界面改性乃至更高层次的材料设计提供参考,为新材料体系的建立提供模拟实验的支持。1.2计算机模拟在材料分析计算中的应用1.2.1 计算机模拟的特点科学技术的发展对材料各种性能的要求越来越高。传统的单相或复相材料已经不能够满足时代的要求。单一的金属、陶瓷或聚合物也不能够胜任生产中对材料的特殊要求,但是如果将其组合起来形成微观,介观或宏观的复合材料,以特定的组合方法用于特殊的场合,以适应科技社会日新月异的发展。对于广义定义的复合材料,由于成分、组织和结构的多样性、复杂性,过去的理论和经验有些已不能完全适用于新材料,而传统方法中由经验探索新的理论既费
21、时又费力。现在计算机在材料科学中的应用为新材料的发展提供了新的途径,即用虚拟的方法模拟实验,可有效地提高实验的效率和精度,大大降低人力物力。材料设计中的计算机模拟已应用于材料研制到使用的全过程,包括材料制备、加工、组织结构、理化性能和使用环境等10。例如,在利用计算机模拟氟化物玻璃的微结构时,就可计算出不同成分的氟化物玻璃的红外吸收光谱,并据此为红外光纤用的氟化物玻璃材料的配方提供依据。随着计算机技术的进步和人类对物质不同层次的结构及动态过程理解的深入,可用计算机精确模拟的对象日益增多。在许多情况下,可根据计算机模拟结果预测有希望的实验方案,以提高实验效率。1.2.2计算机模拟在材料制备中的应
22、用计算机模拟已应用在材料科学的各个方面,它包括晶体的复杂结构,点阵缺陷的结构和能量,超导体的结构,表面的性质,表面的缺陷,表面的杂质,晶体生长,外延生长等。界面生长的动力学过程和界面的结构性质常用的计算机模拟方法有蒙特卡洛方法、分形理论、分子动力学方法、分子力学方法、第一性原理方法、密度泛函理论等。1.2.2.1分子力学方法(Molecular Mechanics method,简称MM)分子力学方法是一种经典力学方法描述分子结构与几何变化的方法。分子力学方法忽略电子的运动,只计算与原子核位置相关的体系能量。Nuria Lopez 和 Gianfranco Pacchioni通过从头算Hart
23、ree-Fock理论和密度泛函理论(这个理论解决了将多电子体系波动方程化为单电子方程的关键过程),研究了Cu原子与SiO2表面的2个显著的点缺陷的交互作用,对这个表面缺陷建立了一系列的模型,最后使用量子力学和分子力学对这个模型的量子力学部分给出了精确的描述11。1.2.2.2第一原理方法基于密度泛函理论(Density Functional Theory,简称:DFT)12,13的模拟计算方法的出现,为深入研究金属陶瓷界面提供了一种强有力的方法。该方法不需要实验数据,通过用自洽方法解薛定谔方程来处理电子之间的相互作用,因此又被称为第一原理方法(First-principle method)或从
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