SiC/C界面辐照损伤及传热性能的分子动力学研究
SiC纤维增强SiC复合材料因其具有高温强度高、抗蠕变能力强、耐腐蚀性好、抗热冲击以及诱导放射性和放射余热低等一系列优异的性能而成为先进裂变堆和聚变堆的候选结构材料。 尽管SiC/SiC复合材料的综合性能已经得到了很大的提高，但在辐照条件下SiC纤维与其表面热解碳界面的损伤仍会导致材料力学性能发生退化，而目前SiC/C界面的辐照损伤机制尚不明确。同时，受辐照后，界面热导也会随之发生变化。 本文首先分别采用平衡态和反干扰非平衡态分子动力学方法计算了85 K下液态Ar的热导率，分别为0.129和0.122 W/(m·K)，均与实验值0.1322 W/(m·K)相接近，验证了LAMMPS软件的可靠性。其次，以SiC为研究对象，进行有限尺寸效应研究，发现热流方向存在有限尺寸效应，非热流方向不存在有限尺寸效应。最后，计算了SiC的热导率随温度的变化趋势，模拟结果与Taylor实验值基本吻合，并利用有限尺寸效应，外推出宏观尺寸300 K下SiC和325 K下石墨的热导率，分别为163.93和322.58 W/(m·K)，与文献中计算得到的SiC和石墨的热导率177.46和241.66 W/(m·K)数量级相同。 在完成上述对软件和计算方法验证的前提下，本文通过分子动力学模拟方法，参考实际材料中SiC纤维和表面热解碳的结构，分别建立了石墨片层和SiC晶体界面角度为0.00°、28.56°、56.71°、77.32°和90.00°的模型，并简记为M0、M28、M56、M77和M90。一方面研究了5种模型中SiC/C界面受1.5 keV的Si原子辐照后的缺陷分布情况，包括缺陷数量和分布随时间以及初级碰撞原子位置的变化关系。其中初级碰撞原子距离界面分别为1a0、2a0、3a0和4a0（a0为SiC晶格常数），并与单质SiC中缺陷分布情况进行对比。利用径向分布函数分析了辐照对界面原子排列情况的影响。研究结果表明，SiC/C界面Si和C（SiC）原子的离位阈能均明显低于SiC内部同类原子的离位阈能，说明界面抗辐照能力低于SiC内部，同时界面角度对界面缺陷数量存在一定影响。由径向分布函数推得界面区域石墨原子密度越高则界面原子排列情况受辐照影响越大。 另一方面，使用rNEMD方法计算了上述5种模型受1 keV的Si原子辐照后界面的导热行为，并与未辐照的模型进行对比，研究界面结构以及辐照对界面热导产生的影响。同时，从中选取M0模型，计算界面受初始能量分别为0.25、0.5、0.75和1 keV的Si辐照后的界面热导，研究辐照剂量对界面热导的影响。研究结果表明，界面能随界面之间共价键的数量增大而增大，对于同一个模型辐照使界面能增加。除了M90模型以外，其余模型的界面热导均分别随模型界面能的增大而增大。对于全部模型，晶格缺陷是影响界面热导的重要因素之一。对于 M90模型，辐照后界面热导升高，而其余模型辐照后界面热导下降。为了更好地解释这一现象，本文计算了界面左右共10层原子的声子振动态密度，通过比较来分析界面结构以及由辐照缺陷造成的声子失配情况。研究结果表明，界面区域以及辐照缺陷区域的声子振动态密度与内部完美晶格的声子振动态密度有明显的不匹配现象，这即为导致界面热阻出现的根本原因。
辐照损伤;传热性能;分子动力学;SiC复合材料;界面热导
哈尔滨工程大学
硕士
辐射防护及环境保护
李桃生
2014
中文
TL352.28
92
2016-05-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）