新型SiC基耐高温涂层的多尺度建模与分析方法研究

SiC-based ceramics such as SiCO and SiBCN present excellent mechanical stability at high temperature, and are promising coating materials for engines in aerospace and automobile industries. The key problem for these applications is the failure at interface of dissimilar materials in the coating, and the multi-scale nature of interface also demands a multi-scale modeling frame for analysis. This project is basing on large-scale molecular dynamics(MD) simulations, the melt-quench method will be used to generate the structures of SiC-based ceramics and then the nano-domain related structure-property relationship will be studied. Basing on above models, the coating-substrate interface models will be established and the simulations on interfacial fracture of Mode I and II will be conducted. After investigating the mechanism of interfacial fracture and combination of MD and continuum model, a MD-CZM model is proposed for the coating system. By comparing simulation results with experimental analysis includes XPS, NMR and nano-indentation on coating samples, the multi-scale model will be modified further. Finally, multi-scale simulations, experiments and multi-object optimization will be combined to construct a modeling and analysis frame, this will provide a valuable approach to design the SiC based coating and other nanomaterials/nanostructures.

SiCO、SiBCN等SiC基陶瓷材料在高温下具有出色的力学稳定性，因而在航空/汽车发动机领域具有良好的应用前景。目前亟待解决的是陶瓷涂层体系中界面破坏失效的问题，而材料界面的多尺度特性决定了采用多尺度方法建模的必要性。本项目以大规模分子动力学（MD）模拟为基础，首先利用melt-quench方法建立SiC基陶瓷的MD模型并对其nano-domain结构-特征关系进行研究。在此基础上,构建涂层中材料界面的MD模型并进行I型和II型断裂模拟。通过研究纳观界面断裂机理及其与宏观CZM模型的关联机制，进一步建立涂层的MD-CZM多尺度模型。采用非平衡溅射、XPS、NMR、纳米压痕等实验手段进行试样制备测试，对比模拟结果并进一步修改多尺度模型。最终将多尺度模拟、实验与多目标优化相结合建立SiC基涂层的多尺度建模与分析方法，为SiC基涂层及其他纳米材料和结构的设计提供重要的理论参考。

SiCO、SiCN、SiBCN等SiC基陶瓷材料在高温下具有出色的力学稳定性，因而在航空/汽车发动机领域具有良好的应用前景。目前亟待解决的是SiC基材料的结构-特征关系及涂层体系中界面破坏失效的问题，而这就决定了采用多尺度方法建模的必要性。本项目首先利用melt- quench方法建立SiC基陶瓷的大规模分子动力学（MD）模型并对其nano-domain结构-特征关系进行研究。针对所研究的三元材料，提出同元素间相互作用采用现有的势函数参数，不同元素的相互作用采用一套参数混合方法。首次利用分子模拟方法对多元SiBCN和SiBCO陶瓷进行研究，得出了不同碳含量对材料纳米结构和力学性能的影响。成功模拟得到实验证明该材料所具有的纳米畴（nano-domain）和自由碳（free carbon）结构，并进一步得出了不同碳元素含量对纳米畴和自由碳结构的影响，并进一步弄清了材料纳米结构与高温力学性能的关系。基于SiCO结构特征，提出了一种适用于量子力学（QM）的初始结构建模方法，用碳原子对其不同原子层的氧原子进行替换，从而得到具有不同碳含量的SiCO结构。所提出的方法构建的SiCO初始模型与现有实验结论相符，并能精确控制其中各种硅四面体的类型和数量。此外，提出了适用于SiC基涂层-基体界面的MD-CZM多尺度关联机制，根据模式I和模式II局部应力-张开曲线与载荷类型的相关性，构建了CZM模型的TSL函数T(λ)。采用不同溅射功率和不同衬底温度制备SiC基薄膜。经过数据分析和实验验证，提出高强度多层薄膜体系及其制备方法。项目最终将多尺度模拟、实验和多目标优化相结合建立了SiC基涂层的多尺度建模与分析方法，为SiC基涂层及其他纳米材料和结构的设计提供重要的理论参考。