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《无定形si—b—c体系扩散行为分子动力学模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、无定形Si—B—C体系扩散行为分子动力学模拟第21卷第4期2006年7月无机材料JournalofInorganicMaterialsVo1.21.No.4Ju1.,2006文章编号:1000—324X(2006)04—0843—05无定形si—B—c体系扩散行为分子动力学模拟叶雅静,张立同,成来飞,徐永东(西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室,西安710072)摘要:用分子动力学方法研究了不同温度下无定形Si—C,Si—B—C体系的扩散行为,分析掺杂B原子对体系热稳定性及高温抗蠕变性的影响.基于UF
2、F力场,在300,773,1273,1773及2073K下,用分子动力学方法计算并比较了它们的MSD曲线及扩散系数,分析温度对原子自扩散的影响.无定形体系引入B原子后,原子自扩散系数降低;随温度升高,自扩散系数缓慢上升,接近2073K附近B原子的自扩散有明显加速趋势,说明体系能够在2073K以下不发生相分离,保持热稳定及良好的高温抗蠕变性.关键词:无定形Si—B—C;分子动力学;扩散系数中图分类号:TB321文献标识码:A1引言含Si非氧化物陶瓷体系具有优异的热稳定性及力学性能,是具有应用前景的高温材料体系【引.
3、如无定形Si—B—N,Si—C—N,Si—B—C—N等体系,在1773K以上能够保持无定形态,以及优异的抗氧化性,抗蠕变性【引.研究表明,上述无定形体系所含元素种类越多,热稳定性越好.如Baldus报道的Si—B—N体系能够在1973K下保持无定形态,而Si—B—C—N体系能够达到2173K[3,4].Wang[]报道的无定形Si—B—C—N体系能够保持无定形态到2473K.这些多元无定形体系具有刚性连接的网状结构,与二元无定形Si.N体系相比,具有更好的热稳定性.因此,掺杂B或C元素有助于提高无定形体系的热稳定
4、性.Matsunaga[m]等用分子动力学方法(MolecularDynamics,MD)研究了无定形Si—B—C—N体系的结构及扩散行为,根据实验结果,推断Si.B—C—N体系含有Si—N,Si—Si等十种原子对键合情况.作者认为这种结构可以降低原子的自扩散行为,进而提高无定形体系转变成热力学稳定晶相的温度.无定形体系在接近结晶温度附近,原子扩散加剧,无定形网格重排,会发生相分离,体系结构改变,从而失去稳定性.另外,对于陶瓷材料,原子扩散是其蠕变的主要机制【11J,高温会加剧原子扩散.对无定形Si—B—C体系的
5、研究多集中于制备工艺探索[12],由于实验条件的限制很少涉及到原子结构及扩散行为随温度的变化.因此,研究一定温度条件下无定形Si—B—C体系在掺B前后的扩散行为具有重要意义,并且可以为分析该体系的高温稳定性及高温蠕变行为提供理论指导.收稿日期:2005~07—11,收到修改稿日期:2005-09-01基金项目.西北工业大学博士论文创新基金(CX200410)作者简介:叶雅静(1978一),女,博士研究生.E-mail:YYJcathy(~yahoo.corn.all无机材料本文采用分子动力学方法,模拟了无定形Si
6、—C及无定形Si—B—C体系在300,773,1273,1773及2073K下的动力学行为,计算并比较了不同温度下两种体系原子的自扩散系数,最终找到掺杂B原子对无定形体系热稳定性及抗蠕变性的影响规律.2模拟过程采用材料模拟软件Cerius04.6中的分子动力学模块Dynamics进行模拟.研究的体系为无定形Si—C,Si—B—C,后者的模型是由B原子取代无定形Si—C中部分Si,C原子得到的,每个体系的原子个数均为1688,体系中原子比例分别为1:1和1.65:1:2.34,模拟盒子的大小为3.Ohm~3.Onm
7、x3.Ohm.分子动力学采用正则系综(NVT),模拟温度分别为300,773,1273,1773,2073K.能量极小化方法为SmartMinimizer.为了从最初随机混合体中得到无定形结构,首先在8000K进行8ps(8X10--12S)分子动力学,并进行预平衡.然后分别在每个温度点完成500ps的分子动力学模拟.时间步长均设为0.001ps(1X10--15s).采用Universal力场(UniversalForceField,UFF)描述无定形体系的原子间的相互作用.该力场的表达式见文献【13】.分析粒
8、子运动轨迹随时间变化的统计平均一均方差(MeanSquaredDisplacement,MSD)可以得到体系的扩散系数等动态信息.采用Einstein[M]法求解扩散系数.其基本原理是通过用分子动力学记录一定温度下粒子的动态演变过程,得到粒子运动的瞬时坐标,求解微分运动方程,确定均方差MSD(t)=r(￡)一r(0)l.>(1)
9、式中,rn(￡)为t时刻原子札的位
