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摘要：
碳化硅作為一種硬質(zhì)高強度材料，廣泛應(yīng)用于磨料、轉(zhuǎn)盤、軸承和高溫涂層等工程技術(shù)設(shè)備等領(lǐng)域。由脆性特質(zhì)引起的較差的斷裂韌性是碳化硅的一個技術(shù)制約。近年來，有研究人員研發(fā)制備出納米金剛石（ND）顆粒增強型碳化硅材料，既改善了斷裂韌性又不影響材料本身的強度。本論文利用分子動力學(xué)模擬對新型碳化硅131材料中納米金剛石和納米硅顆粒的補強效果進(jìn)行了研究。實驗選取兩種類型的納米顆粒：（a）裂縫尖端前面成簇的顆粒；（b）分布一致的顆粒。對模型I和模型II的斷裂韌性進(jìn)行測量。實驗觀察得知，碳化硅中添加納米金剛石能100%程度地改善模型II斷裂韌性，25%程度地改善模型I的斷裂韌性。
引言
碳化硅作為一種硬質(zhì)高強度材料，廣泛應(yīng)用于磨料、轉(zhuǎn)盤、軸承和高溫涂層等工程技術(shù)設(shè)備等領(lǐng)域。但和多數(shù)陶瓷材料類似，碳化硅有~9GPa的高抗屈強度、~2800kg/mm2的高硬度和~4.6MPa.m0.5的低韌性。牢固的共價鍵和離子鍵所形成的微結(jié)構(gòu)造成了碳化硅的這種特殊屬性；而較低的韌性則大大制約了碳化硅在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。一般情況下，韌性屬性包括強度和變形性。強度高變形性低的材料整體上都有較低的韌性。增強材料韌性一般有兩種方法：利用外部機(jī)制和利用內(nèi)部機(jī)制。對于陶瓷材料的增韌則主要是利用外部機(jī)理；常見方法有：（1）延性定相。通過大規(guī)模延性相變形在斷裂尖端周圍應(yīng)變松弛，或者在斷裂尖端背面利用延性相伸展來進(jìn)行裂紋鈍化、裂紋搭橋，從而抵制裂紋發(fā)生和擴(kuò)散。（2）?；?。在晶粒間界處增韌以減少裂紋密度。（3）通過多層化來增強薄膜和襯底間的粘合。（4）納米纖維增強。在纖維-基體界面處使裂紋發(fā)生偏離。（5）金剛石燒結(jié)等對裂紋進(jìn)行搭橋。
結(jié)構(gòu)的分子建模
圖一（a）為碳化硅分子模型。
碳化硅作為一種硬質(zhì)高強度材料，廣泛應(yīng)用于磨料、轉(zhuǎn)盤、軸承和高溫涂層等工程技術(shù)設(shè)備等領(lǐng)域。由脆性特質(zhì)引起的較差的斷裂韌性是碳化硅的一個技術(shù)制約。近年來，有研究人員研發(fā)制備出納米金剛石（ND）顆粒增強型碳化硅材料，既改善了斷裂韌性又不影響材料本身的強度。本論文利用分子動力學(xué)模擬對新型碳化硅131材料中納米金剛石和納米硅顆粒的補強效果進(jìn)行了研究。實驗選取兩種類型的納米顆粒：（a）裂縫尖端前面成簇的顆粒；（b）分布一致的顆粒。對模型I和模型II的斷裂韌性進(jìn)行測量。實驗觀察得知，碳化硅中添加納米金剛石能100%程度地改善模型II斷裂韌性，25%程度地改善模型I的斷裂韌性。
引言
碳化硅作為一種硬質(zhì)高強度材料，廣泛應(yīng)用于磨料、轉(zhuǎn)盤、軸承和高溫涂層等工程技術(shù)設(shè)備等領(lǐng)域。但和多數(shù)陶瓷材料類似，碳化硅有~9GPa的高抗屈強度、~2800kg/mm2的高硬度和~4.6MPa.m0.5的低韌性。牢固的共價鍵和離子鍵所形成的微結(jié)構(gòu)造成了碳化硅的這種特殊屬性；而較低的韌性則大大制約了碳化硅在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。一般情況下，韌性屬性包括強度和變形性。強度高變形性低的材料整體上都有較低的韌性。增強材料韌性一般有兩種方法：利用外部機(jī)制和利用內(nèi)部機(jī)制。對于陶瓷材料的增韌則主要是利用外部機(jī)理；常見方法有：（1）延性定相。通過大規(guī)模延性相變形在斷裂尖端周圍應(yīng)變松弛，或者在斷裂尖端背面利用延性相伸展來進(jìn)行裂紋鈍化、裂紋搭橋，從而抵制裂紋發(fā)生和擴(kuò)散。（2）?；?。在晶粒間界處增韌以減少裂紋密度。（3）通過多層化來增強薄膜和襯底間的粘合。（4）納米纖維增強。在纖維-基體界面處使裂紋發(fā)生偏離。（5）金剛石燒結(jié)等對裂紋進(jìn)行搭橋。
結(jié)構(gòu)的分子建模
圖一（a）為碳化硅分子模型。
圖一：a）純碳化硅結(jié)構(gòu)（藍(lán)色為硅；紅色為碳）；b）純納米金剛石結(jié)構(gòu)
純碳化硅模型包括68832個院子。在 WNC模型中將原子從晶體中移除便得到一個中心裂紋長度a=2.62nm，以類似此方法建立若干個納米復(fù)合材料模型。模型1中，碳化硅基體摻入8個固態(tài)納米金剛石顆粒。模型2中，碳化硅基體摻入兩個簇叢納米金剛石顆粒，每個簇叢包含4個納米金剛石顆粒。模型3中，用洞孔納米金剛石顆粒替代固態(tài)納米金剛石顆粒。模型4中，ND顆粒建模為不可變形的顆粒。此外，還建立了一個模型，用硅顆粒替代ND顆粒。每個顆粒的形狀假定為方形，ND顆粒邊長為0.357nm，碳化硅顆粒邊長為0.43597nm。所有模型的原子間交互作用建立在Tersoff potential基礎(chǔ)上。
圖二：a）有裂縫的純碳化硅；b）ND增強型碳化硅切片圖；c）洞孔ND增強型碳化硅切片圖；d）ND分散一致的增強型碳化硅切片圖
形變的分子模擬利用Daresbury 實驗室開發(fā)的2.20版DL-POLY進(jìn)行所有的模擬實驗。實驗條件為300k，0.5fs時間步長。實驗分兩步驟對機(jī)械性能進(jìn)行觀察。第一步對原子模型進(jìn)行平衡，第二步對模型進(jìn)行漸進(jìn)軸向機(jī)械裝載。
平衡狀態(tài)
將NPT和NVT整體結(jié)合，進(jìn)行平衡狀態(tài)實驗。首先將模型在NPT條件下運行模型，時間步長為30000；然后在NVT條件下對模型進(jìn)行機(jī)械裝載。
應(yīng)力應(yīng)變曲線
利用應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行抗拉實驗和抗剪實驗。對所有模型施以應(yīng)變場，進(jìn)行軸向拉伸實驗。
沿著形變的方向?qū)D單元的大小進(jìn)行測量并施以應(yīng)變，然后對原子的新坐標(biāo)重新測量以便匹配新的大小。完成初始形變以后，繼續(xù)對MD進(jìn)行模擬，在新的MD單元大小范圍內(nèi)對原子進(jìn)行平衡。重復(fù)該步驟以實現(xiàn)持續(xù)漸進(jìn)形變。軸向拉伸方向上的應(yīng)變增量為0.25%。然后，將系統(tǒng)松弛0.1ps，將系統(tǒng)上的應(yīng)力調(diào)和至大于0.1ps。實驗采用周期邊界條件。
結(jié)果和討論
圖三：嵌入純ND顆粒的應(yīng)力應(yīng)變曲線
圖四：（a）帶裂縫的純碳化硅；b)帶裂縫的ND增強型碳化硅
為觀察ND顆粒形變性對整體應(yīng)力應(yīng)變反應(yīng)的影響，實驗建立了一個ND為不可形變的模擬。曲線如圖五所示。圖六為對應(yīng)的MD。可以明顯看出不可形變的ND顆粒明顯降低了整體強度和韌性。由于ND顆粒是不可形變的，當(dāng)裂縫產(chǎn)生并影響ND-SiC界面時，不存在能量損失。圖五可以看出在10%應(yīng)變處應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生了彎曲。
圖五：嵌入純ND顆粒的應(yīng)力應(yīng)變曲線
圖六：帶裂縫的ND增強SiC失敗試驗品
圖七：嵌入洞孔ND顆粒的應(yīng)力應(yīng)變曲線
圖八：帶裂縫的ND增強SiC失敗試驗品
為完善對納米顆粒增強效果的評估，實驗還進(jìn)行了不可變形的洞空ND研究，曲線如圖九所示。圖十為對應(yīng)的MD。圖九可以看出，當(dāng)不可變形洞空ND嵌入時，整體應(yīng)力應(yīng)變性能下降。使用硬質(zhì)ND時，圖十顯示類似趨勢。這說明和硬質(zhì)ND增強系統(tǒng)相比，不可變形洞空ND的變形機(jī)理是一樣的。由此可以推斷超硬增強納米顆粒不會增強其機(jī)械性能。圖八：帶裂縫的ND增強SiC失敗試驗品
圖九：嵌入洞空ND的應(yīng)力應(yīng)變曲線
圖十：帶裂縫的硬質(zhì)ND增強SiC失敗試驗品
為研究納米顆粒屬性對SiC基體的影響，實驗用同樣尺寸的Si替代ND。需要注意的是Si沒有SiC更硬，因此把它放入裂縫中。曲線如圖11所示。由圖可以看出摻入Si增強體后并沒有改善整體應(yīng)力應(yīng)變性能。
圖十：帶裂縫的硬質(zhì)ND增強SiC失敗試驗品
圖11：摻入純Si的應(yīng)力應(yīng)變曲線
模型II裂縫從抗拉實驗可以看出SiC的強度和韌性只有在ND顆粒不是超硬屬性的情況下才能得到改善。為驗證該假設(shè)，研究對所有實驗進(jìn)行抗剪實驗，結(jié)果顯示增強ND改善了SiC的韌性。圖12為抗剪實驗結(jié)果。圖13為對應(yīng)的MD。由于錯位成核，剪切負(fù)載過程中發(fā)生顯著的塑性變形。
圖12：剪切負(fù)載的應(yīng)力應(yīng)變曲線
圖13：（a）ND-SiC復(fù)合材料和（b）純SiC的剪切試驗失敗品
（編譯：中國超硬材料網(wǎng)） 圖13：（a）ND-SiC復(fù)合材料和（b）純SiC的剪切試驗失敗品
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