基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟方法及系统

1.本发明属于陶瓷材料性能技术领域，尤其涉及基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.由于氮化硅材料具有高化学稳定性、耐高温、有抗热冲击能力、硬度高、机械性能好等特性。因此，在微电子工业、机械工业、汽车工业、太阳能电池、陶瓷切削加工工具等方面具有广泛的应用。在氮化硅材料中,第二相颗粒的引入会使得材料在烧结过程中晶界处出现不同的现象。
4.发明人发现在陶瓷烧结过程中，现有技术采用人力不断地对比不同材料基体结合烧结过程中的各项性能，这样烧制陶瓷材料的过程中需要耗费大量的人力物力，而且烧制好的陶瓷材料的的抗弯强度和抗断裂韧性无法做到最佳，不利于生产的大规模推广。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟方法及系统，利用分子模拟技术，其从模拟的角度研究了在一种基体材料中，结合第二相基体材料，分别构建了对应材料的多个晶面，基于表面能较低的两个晶面搭建界面，得到界面的总能量和界面的粘附功能，研究了各界面的力学性能。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟方法，包括如下步骤：
8.获取不同陶瓷材料基体的晶格信息，分别构建对应陶瓷材料基体的单体晶胞结构；
9.对单体晶胞结构进行切割，分别得到对应单体晶胞结构的多种晶面结构，对多种晶面结构分别进行总能量计算以及表面能分析；
10.基于表面能分析结果，搭建不同陶瓷材料基体的界面，基于各个界面进行构象优化，基于构象优化后的各个界面进行分子动力学计算；
11.基于分子动力学计算后的各个界面计算粘附功以及进行力学性能分析；
12.基于粘附功以及进行力学性能分析结果确定最佳模拟界面，运用最佳模拟界面，确定实验最佳烧结温度及烧结压力以及预测材料的力学性能以指导陶瓷材料的烧结。
13.本发明的第二个方面提供基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟系统，包括：
14.单体晶胞结构构建模块，被配置为：获取不同陶瓷材料基体的晶格信息，分别构建对应陶瓷材料基体的单体晶胞结构；
15.晶面能量分析模块，被配置为：对单体晶胞结构进行切割，分别得到对应单体晶胞结构的多种晶面结构，对多种晶面结构分别进行总能量计算以及表面能分析；
16.动力学计算模块，被配置为：基于表面能分析结果，搭建不同陶瓷材料基体的界面，基于各个界面进行构象优化，基于构象优化后的各个界面进行分子动力学计算；
17.烧结参数指导模块，被配置为：基于分子动力学计算后的各个界面计算粘附功以及进行力学性能分析；
18.基于粘附功以及进行力学性能分析结果确定最佳模拟界面，运用最佳模拟界面，确定实验最佳烧结温度及烧结压力以及预测材料的力学性能以指导陶瓷材料的烧结。
19.本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
20.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟方法中的步骤。
21.本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
22.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟方法中的步骤。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
24.本发明分为模拟部分和应用部分，在模拟过程中，以si3n4和tic陶瓷材料界面如何结合这一问题进行了模拟研究，从表面能较低的晶面易形成界面进行分析，分别研究了si3n4和tic各代表性晶面，并分别选取了两个表面能较低的两个晶面，构建了si3n4/tic界面，并对各界面进行了总能量、界面粘附功和力学性能分析。在应用部分，通过各界面进行了总能量、界面粘附功和力学性能分析的结论，实现了模拟引导实验，通过分子动力学模拟研究的方法为制备陶瓷材料确定烧结参数并预测材料性能，为添加适量的tic颗粒可以提高si3n4陶瓷的抗弯强度和断裂韧性提供了指导依据，可以大规模推广使用。
25.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
26.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
27.图1是本发明实施例一中界面性能的模拟方法流程框图；
28.图2(a)-图2(e)是本发明实施例一中si3n4各代表性晶面；
29.图3(a)-图3(e)是本发明实施例一中tic各代表性晶面；
30.图4是本发明实施例一中晶向指数的标定示意图；
31.图5(a)-图5(f)是是本发明实施例一简立方晶格的晶面表示；
32.图6(a)-图6(d)是本发明实施例一中si3n4/tic各界面结构模型。
具体实施方式
33.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
34.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另
有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.实施例一
37.如图1所示，本实施例提供了基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟方法，包括如下步骤：
38.s101：获取不同陶瓷材料基体的晶格信息，分别构建对应陶瓷材料基体的单体晶胞结构；
39.s102：对单体晶胞结构进行切割，分别得到对应单体晶胞结构的多种晶面结构；
40.s103：对多种晶面结构分别进行总能量计算以及表面能分析；
41.s104：基于表面能分析结果，搭建不同陶瓷材料基体的界面，基于各个界面进行构象优化；
42.s105：基于构象优化后的各个界面进行分子动力学计算；
43.s106：基于分子动力学计算后的各个界面计算粘附功以及进行力学性能分析；
44.s107：基于粘附功以及进行力学性能分析结果确定最佳模拟界面，运用最佳模拟界面，确定实验最佳烧结温度及烧结压力以及预测材料的力学性能以指导陶瓷材料的烧结。
45.本实施例以si3n4/tic作为研究对象，进行说明。
46.s101中，所述获取不同陶瓷材料基体的晶格信息，分别构建对应陶瓷材料基体的单体晶胞结构，具体包括：
47.根据陶瓷材料基体β-si3n4的晶格信息：α＝β＝90
°
，γ＝120
°
，构建si3n4单体晶胞结构；
48.根据陶瓷材料基体tic的晶格信息：α＝β＝γ＝90
°
，构建tic单体晶胞结构；
49.上述构建各个单体晶胞结构可以采用软件构建，也可采用相应的构建算法实现，具体可以根据实际情况选取，本实施例选用materials studio的visualizer界面进行构建。
50.晶胞能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学-结构特征的平行六面体单元。其中既能够保持晶体结构的对称性而体积又最小者特称“单位晶胞”，但亦常简称晶胞，其具体形状大小由它的三组棱长a、b、c及棱间交角α、β、γ(合称为”晶胞参数”)来表征，与空间格子中的单位平行六面体相对应。
51.s102中，对单体晶胞结构进行切割，分别得到对应单体晶胞结构的多种晶面结构，包括：
52.如图2(a)-图2(e)所示，对si3n4单体晶胞结构进行切割，依次构建si3n4(011)、(100)、(110)、(111)、(311)晶面；
53.如图3(a)-图3(e)所示，对tic单体晶胞结构进行切割，依次构建tic(211)、(100)、
(110)、(111)、(210)晶面。
54.对于上述的晶面的具体含义如下：
55.任意两个格点的连线，构成一个晶列。
56.晶列的取向称为晶向；晶向用晶向指数来表示。
57.在一个晶列上，选取某一格点为原点，在原胞基矢坐标系中，任一格点的位置矢量为：
[0058][0059]
若是将l
′1、l
′2、l
′3化为互质数。l
′1：l
′2：l
′3＝l1：l2：l3[0060]
则该晶列可用[l1l2l3]来标识，这就是该晶列的晶向指数。一个晶列簇中的各个晶列，其晶向指数相同。
[0061]
简立方晶格的几个晶列如图4所示：
[0062]
所述晶面指数是指与该晶面在三个坐标轴上的截距的倒数相对应的三个互质整数，就称为该晶面的晶面指数，亦称密勒指数。
[0063]
若一个晶面在其三个基矢方向上的截距分别为用u、v、w三个数字就可以标志晶面的空间方位。
[0064]
故采用截距的倒数1/u、1/v、1/w,并约化为三个互质的整数h、k、l来标志晶面，即：1/u:1/v:1/w＝h:k:l。
[0065]
如图5(a)-图5(f)为简立方晶格的几个晶面表示：
[0066]
如(011)面是晶胞中与oa方向截距为0，ob方向截距是1，oc方向截距是1的面，1是指该方向晶胞的总长度。
[0067]
上述对单体晶胞结构切割可以采用软件，也可采用相应的切割算法实现，具体可以根据实际情况选取，本实施例选用materials studio软件。
[0068]
s103中，所述对多种晶面结构分别进行总能量计算采用materials studio中的castep模块，精度选ultrafine，交换关联泛函选广义梯度近似pw91，algorithm选bfgs，energy选5.0e-6ev/atom，force选stress选0、0.016、0.032gpa，max displacement选max iterations选1000；scf选ultrafine，布里渊区k-point选fine，截断能选280ev，选用超软赝势代替了离子核与价电子之间的相互作用。
[0069]
s103中，对多种晶面结构进行总能量计算的表面能分析包括：
[0070]
在每个晶面结构模型中，分别设置了厚度为的真空层。
[0071]
表面能的计算公式如下：
[0072]
γs＝[e
surface-n
·
(e
bulk
/n)]/[2
·
(a
×b×
sinγ)]
[0073]
式中，e
surface
为晶面的能量，e
bulk
为材料块体的能量，n为表面单元的原子个数，n为原胞单元的原子个数；a、b为表面的两边边长，γ为两边的夹角。
[0074]
s104中，si3n4和tic各晶面的表面能的大小排序如下：
[0075]
si3n4(110)《si3n4(100)《si3n4(011)、(111)《si3n4(311)
[0076]
tic(100)《tic(110)《tic(210)《tic(211)《tic(111)
[0077]
从表面能越低界面越稳定的角度来分析，si3n4晶体的(110)和(100)晶面与tic晶体的(100)和tic(110)晶面优先结合；
[0078]
如图6(a)-图6(d)所示，选取表面能最低的两个晶面，选取si3n4(110)和si3n4(100)晶面以及tic(100)和tic(110)晶面，两两结合搭建界面，构建两相界面模型时，要求所选取的si3n4和tic各晶面所构成界面的失配度要尽可能的低，因此将晶面分别进行扩大，直至两相晶面数值差距甚微，本实施中中界面失配率为5％，一般8％以内认为可以构成稳定界面。
[0079]
bfdh法则(或称为donnay-harker原理)，指出，晶体的最终外形应为面网密度最大的晶面所包围，能量高生长速率快的晶面族在最终形态中消失。能量最低的面占的比例最高。
[0080]
所述基于各个界面进行构象优化中，采用materials studio中的forcite模块，精度选fine，其中能量为1.0e-4kcal/mol，最大力为最大应力为1.0e-4gpa，最大位移为algorithm选smart，力场选universal，charges选use current，electrostatic项求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based。
[0081]
s105中，si3n4/tic各界面进行分子动力学计算，在压力为32mpa，温度为1673、1873和2073k，采用materials studio中的forcite模块，进行nve系综下的分子动力学计算，electrostic项求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based，时间步长选为1fs，模拟时间选为100ps，让体系中的原子充分驰豫。再对模型进行在npt系综下的分子动力学计算，模拟时间为500ps，压力选为32mpa，温度选为1673、1873、2073k，选用nose控温法、berendsen控压法。最后进行退火计算，选择烧结温度的一半以及500k两个温度，压力均选择0mpa，模拟随烧结炉冷却的情况。
[0082]
s106中，各个界面计算粘附功的计算公式为：
[0083][0084]
式中，e
ad
为界面粘附功，为构建界面的si3n4的能量，为构建界面的tic的能量，a为界面面积。
[0085]
粘附功可用来描述界面的结合强度，其粘附功的数值越大，表明界面的结合强度越高，因此可从粘附功比较界面的结合强度。
[0086]
s106中，各个界面力学性能分析包括：
[0087]
在materials studio中，对分子动力学计算后的si3n4/tic界面进行力学性能计算，采用materials studio中的forcite模块，精度选fine，其中能量为1.0e-4kcal/mol，最大力为最大应力为1.0e-4gpa，最大位移为4gpa，最大位移为algorithm选smart，力场选universal，charges选use current，electrostatic项求和方法选ewald，van der waals项求和方法选atom based；
[0088]
对不同的结合界面的模拟结果如下：
[0089]
(1)当选取的晶面为：si3n4(100)和tic(100)，搭建的界面为：si3n4(100)/tic(100)界面。
[0090]
则得到的模拟结果为：si3n4(100)/tic(100)界面的总能量为12500.59ev，si3n4(100)/tic(100)界面的粘附功为1.88j/m2；
[0091]
对动力学计算后的si3n4(100)/tic(100)界面分别进行力学性能分析，本实例分析了弹性常数的变化。
[0092]
表1 si3n4(100)/tic(100)界面的弹性常数
[0093][0094]
(2)当选取的晶面为：si3n4(100)和tic(110)，搭建的界面为：si3n4(100)/tic(110)界面；
[0095]
则得到的模拟结果为：si3n4(100)/tic(110)界面的总能量为8096.807ev，si3n4(100)/tic(100)界面的粘附功为1.92j/m2；
[0096]
对动力学计算后的si3n4(100)/tic(110)界面分别进行力学性能分析，本实例分析了弹性常数的变化。
[0097]
表2 si3n4(100)/tic(110)界面的弹性常数
[0098][0099]
(3)当选取的晶面为：si3n4(110)和tic(100)，搭建的界面为：si3n4(110)/tic(100)界面；
[0100]
则得到的模拟结果为：si3n4(110)/tic(100)界面的总能量为12806.62ev，si3n4(110)/tic(100)界面的粘附功为2.33j/m2。
[0101]
对动力学计算后的si3n4(110)/tic(100)界面进行力学性能分析，本实例分析了弹性常数的变化。
[0102]
表3 si3n4(110)/tic(100)界面的弹性常数
[0103][0104]
(4)当选取的晶面为：si3n4(110)和tic(110)，搭建的界面为：si3n4(110)/tic(110)界面；
[0105]
则得到的模拟结果为：si3n4(110)/tic(110)界面的总能量为7877.194ev，si3n4(110)/tic(100)界面的粘附功最低，为1.82j/m2；
[0106]
对动力学计算后的si3n4(110)/tic(110)界面进行力学性能分析，本实例分析了弹性常数的变化。
[0107]
表4 si3n4(110)/tic(110)界面的弹性常数
[0108]
[0109]
通过上述模拟结果对比可知：
[0110]
在四种界面中，si3n4(110)/tic(100)界面的总能量为12806.62ev，总能量最高，表明该界面最稳定。si3n4(110)/tic(100)界面的粘附功为2.33j/m2，表明该界面的结合强度较强；
[0111]
si3n4(110)/tic(100)界面的弹性常数明显高于其他界面。
[0112]
si3n4(110)/tic(110)界面的总能量为7877.194ev，在四种界面中，总能量最低，表明该界面不稳定。si3n4(110)/tic(100)界面的粘附功最低，为1.82j/m2，表明该界面的结合强度较弱。
[0113]
因此选中si3n4(110)/tic(100)预测材料的力学性能。
[0114]
实施例二
[0115]
本实施例提供了基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟系统，包括：
[0116]
单体晶胞结构构建模块，被配置为：获取不同陶瓷材料基体的晶格信息，分别构建对应陶瓷材料基体的单体晶胞结构；
[0117]
晶面能量分析模块，被配置为：对单体晶胞结构进行切割，分别得到对应单体晶胞结构的多种晶面结构，对多种晶面结构分别进行总能量计算以及表面能分析；
[0118]
动力学计算模块，被配置为：基于表面能分析结果，搭建不同陶瓷材料基体的界面，基于各个界面进行构象优化，基于构象优化后的各个界面进行分子动力学计算；
[0119]
烧结参数指导模块，被配置为：基于分子动力学计算后的各个界面计算粘附功以及进行力学性能分析；
[0120]
基于粘附功以及进行力学性能分析结果确定最佳模拟界面，运用最佳模拟界面，确定实验最佳烧结温度及烧结压力以及预测材料的力学性能以指导陶瓷材料的烧结。
[0121]
实施例三
[0122]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟方法的步骤。
[0123]
实施例四
[0124]
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的基于陶瓷材料基体结合的陶瓷界面性能的模拟方法中的步骤。
[0125]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0126]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0127]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特
定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0128]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0129]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0130]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。