毕业论文_SiCCu复合材料的界面模拟与分析

目前，随着晶体生长理论研究技术和手段的发展，特别是基于现代计算机技术发展而产生的数学建模和模拟，运用随机过程理论和统计实验方法，通过相应参数的调整，可以获得更为接近实际晶体生长动力学过程的描述。

复合材料的相界与晶界对复合材料的性能中有重要影响，这领域的研究方向就是建立界面结构特征与其物化性质之间的联系。

我们探索通过模拟包裹粉体在不同条件下的构型，用直观的方式表达出复合材料在各种条件下的界面特征，从而得到材料在不同条件下的性质。

本课题能加深对金属陶瓷界面的理解，为进步的界面改性乃至更高层次的材料设计提供参考，为新材料体系的建立提供模拟实验的支持。

算机模拟在材料分析计算中的应用算机模拟的特点科学技术的发展对材料各种性能的要求越来越高。

传统的单相或复相材料已经不能够满足时代的要求。

单的金属陶瓷或聚合物也不能够胜任生产中对材料的特殊要求，但是如果将其组合起来形成微观，介观或宏观的复合材料，以特定的组合方法用于特殊的场合，以适应科技社会日新月异的发展。

对于广义定义的复合材料，由于成分组织和结构的多样性复杂性，过去的理论和经验有些已不能完全适用于新材料，而传统方法中由经验探索新的理论既费时又费力。

现在计算机在材料科学中的应用为新材料的发展提供了新的途径，即用虚拟的方法模拟实验，可有效地提高实验的效率和精度，大大降低人力物力。

材料设计中的计算机模拟已应用于材料研制到使用的全过程，包括材料制备加工组织结构理化性能和使用环境等。

例如，在利用计算机模拟氟化物玻璃的微结构时，就可计算出不同成分的氟化物玻璃的红外吸收光谱，并据此为红外光纤用的氟化物玻璃材料的配方提供依据。

随着计算机技术的进步和人类对物质不同层次的结构及动态过程理解的深入，可用计算机精确模拟的对象日益增多。

在许多情况下，可根据计算机模拟结果预测有希望的实验方案，以提高实验效率。

算机模拟在材料制备中的应用计算机模拟已应用在材料科学的各个方面，它包括晶体的复杂结构，点阵缺陷的结构和能量，超导体的结构，表面的性质，表面的缺陷，表面的杂质，晶体生长，外延生长等。

界面生长的动力学过程和界面的结构性质常用的计算机模拟方法有蒙特卡洛方法分形理论分子动力学方法分子力学方法第性原理方法密度泛函理论等。

子力学方法称分子力学方法是种经典力学方法描述分子结构与几何变化的方法。

分子力学方法忽略电子的运动，只计算与原子核位臵相关的体系能量。

过从头算论和密度泛函理论这个理论解决了将多电子体系波动方程化为单电子方程的关键过程，研究了子与个显著的点缺陷的交互作用，对这个表面缺陷建立了系列的模型，最后使用量子力学和分子力学对这个模型的量子力学部分给出了精确的描述。

原理方法基于密度泛函理论称，的模拟计算方法的出现，为深入研究金属陶瓷界面提供了种强有力的方法。

该方法不需要实验数据，通过用自洽方法解薛定谔方程来处理电子之间的相互作用，因此又被称为第原理方法从头算方法第原理方法之所以能够用来研究金属陶瓷界面，主要是由于该方法的通用性与准确性。

由于在金属它的键主要由非局域的电子决定与陶瓷它的键通常包括局域的共价键或离子键之间在电子结构上的差异，界面处往往同时含有共价键金属键以及离子键。

这种键合性质的复杂性，使得利用经验或半经验的原子模型这些模型需要预先假设原子之间以何种键态相互作用来研究十分困难。

而第原理方法无需任何假设，而且能够涵盖各种键态，成为研究金属陶瓷界面强有力的理论工具。

第原理的准确性能够通过对晶体总能量的计算来验证。

般地，如果应用第原理方法所计算材料的晶格常数结合能弹性模量等性能与实验结果相比误差在以内，就认为计算结果与实验结果吻合得较好。

由于第原理方法受到所计算系统大小的限制，所以不可能完全预测材料的机械性能或强度等性质，而且影响这些性质的些量比如说塑性变形位错等也是第原理难以处理的。

但是影响材料性质些非常重要的量如结合能等，密度泛函理论能够准确计算，这是第原理方法的非常可贵之处。

另外，第原理能够模拟界面系统的原子布局和排列，从原子和电子的尺度来研究界面现象，这是实验方法所无法企及的。

课题的目的意义研究内容与技术关键的意义复合材料具有优异的力学热学和电学性能，有着非常广阔的应用前景。

两相界面润湿性和增强体相分散的均匀性影响复合材料性能重要因素。

由于面的润湿性较差，基体与增强体两相间弱的结合力限制了复合材料的应用。

实验研究上采用非均相沉淀包裹法可解决上述问题，但是目前对两相界面结构特性等问题还未能从理论上得到解释，阻碍了对该复合材料体系的深入理解。

而计算机用虚拟的方法可以模拟实验中的微观现象，探索由经验难以获得的理论，弥补了实验的不足。

因此采用计算机研究包题还未能从理论上得到解释，阻碍了对该复合材料体系的深入理解。

而计算机用虚拟的方法可以模拟实验中的微观现象，探索由经验难以获得的理论，弥补了实验的不足。

因此采用计算机研究包裹粉体的界面行为是很有意义的。

目前，随着晶体生长理论研究技术和手段的发展，特别是基于现代计算机技术发展而产生的数学建模和模拟，运用随机过程理论和统计实验方法，通过相应参数的调整，可以获得更为接近实际晶体生长动力学过程的描述。

通过计算机模拟，可以比较真实地反映晶体生长的微观过程，加深对金属陶瓷界面的理解，使我们获得更直接和直观的晶体生长信息，深化金属陶瓷界面的研究，为进步的界面改性乃至更高层次的材料设计提供参考，为新材料体系的建立提供模拟实验的支持。

究内容以复合体系为研究对象，采用非均相沉淀包裹法，将裹到粒的表面，采用复合粉体的组成进行表征，了解影响复合粉体界面结合的相关因素。

采用基于总能量的平面波赝势第性原理的对系的界面结合状态进行系统研究，分别计算有氧桥氧桥等五种界面结构的界面宽度界面结合能等重要参数，了解面氧化物对界面相的影响，了解氧桥对界面结合的影响，为该类材料在实际中的应用提供相关的理论参考。

术关键了解影响包裹颗粒形貌和结构的因素，如何控制模拟的条件。

如何量化表征体系的结合形态，如何了解氧桥对界面结合的影响。

第二章复合材料的制备与性能表征验原料及仪器设备材料实验过程中所用的主要原材料及其性能指标见表表实验所用主要原材料料名称主要性能指标生产厂家产地体纯度粒度郑州白鸽集团盐酸分析纯洛阳市化学试剂厂析纯天津科密欧分析纯天津科密欧验仪器及检测方法表列是实验中所使用的仪器及其型号。

表试验所使用的仪器及其型号备名称厂家所属单位功能和用途子天平常熟市衡器厂称量恒温磁力加热搅拌器常州国华电器有限公司搅拌物料射仪兰物相表征空干燥器常州国华电器有限公司干燥粉体验过程非均相沉淀法的主要原理是利用子可以用活泼金属臵换出换出的粒可以均匀地包覆在粒表面。

根据还原反应原理，利用较活泼的金属元素如将溶液中还原成用的铜盐为本方法的基本设想是根据还原反应原理，利用活泼金属直接使子从水溶液中还原出来，采用旋转沉淀的方法，使还原出的粒均匀包裹到粒表面。

本实验选用作为还原剂。

由于密度太小，漂浮于水上，影响实验效果，价格太高，故选用作为还原剂，具体的包裹工艺过程为包裹粉体采用非均相沉淀法制备，包裹的细节过程如下按先制备饱和另烧杯中配臵浮液，控制范围为饱和入浮液搅拌，加入还原剂例如，强力搅拌静臵后，经真空抽滤清洗干燥后获得用扫描电子显微镜，粉体的形貌进行表征。

裹粒的工艺流程如图示。

图包裹微米合粉体工艺流程图米磁力搅拌磁力搅拌淀，静臵调节左右抽滤，清洗，真空干燥由于原始粒在水中的等电点对应的为此，必须调节其悬浮液的范围远离其等电点同时，为了避免进步还原反应过程中碱性条件下会形成沉淀，因此，悬浮液的必须处于酸性范围。

实际过程中通过滴入滴调节悬浮液为左右。

果与讨论复合粉体的析非均匀相沉淀法制备的谱如图图行分析得到，其物相为中主晶相。

采用该方法制备复合粉体，出现相其原因可能是在溶液中，还原出的粒，与溶液中溶解的反应式为范德华力可能是颗粒包裹界面结合力的主要类型之，由于颗粒在实验过程中只受磁力搅拌以及颗粒受自身重力的作用，颗粒与颗粒之间的作用更多的是表面能的作用。

图非均匀相沉淀法制备的复合粉体线非均匀相沉淀法包裹原理分析根据复合粉体的形貌及颗粒表面颗粒排列的规律，实际过程中颗粒包裹的动力学过程可以通过图示的原理示意图来描述。

如图所示，具体的包裹动力学过程可以分为三个阶段还原成粒从溶液中析出。

粒的吸附和成核。

子开始吸附，其中包括粒之间的吸附，以及粒于粒的吸附，并成核形成晶，长大。

个晶被吸附到粒表面以后，旋转的粒周围的介质流动方式将改变，在粘附粒的后部将产生瞬时负压，新的粒被吸附，并沿着粒表面连续排列，从而形成具有核壳结构的包裹复合粉体，核心是粒，壳层是纳米粒。

根据，核壳结构中的界面结合力很高，从而保证粒牢固地粘附在粒表面。

图还原旋转沉淀法制备裹粒原理示意图界面结构对复合材料性能的影响学成分界面是化学成分的剧变区域，增强体材料与基体间是否形成化合物决定了界面处的化学成分，即是可能产生两种情况第种是基体与增强体材料间只生成固溶体第二种是在界面处形成化合物。

判断是否存在化学反应，可计算吉布斯函数，当不反应。

化学成分决定了界面反应的动力学过程，决定了复合材料中的增强体与基体间存在怎样的相互作用。

通过控制化学成分来控制界面反应的动力学过程，从而改善界面性质是制作复合材料过程中常用的方法。

例如，在纯铝基体中，加入以减少碳和铝的界面反应，提高界面的稳定性。

有时为了使纤维与基体发生适度反应以控制界面，也添加些元素。

例如，在基体中加入碱土金属如，能和些陶瓷氧化物反应，降低润湿角，提高材料的综合性能。

基体与增强体之间相互作用不足或过量都是不利的，反应不足时复合材料的强度低，反应过度又会引起界面脆化。

在裹程中，被水解的空气将体氧化成了包裹颗粒的表面米晶上观察到离散的岛状状过相邻的包裹颗粒从而有效避免了团聚。

这也是化学成分改变界面结合的典型范例。

体结构建立界面模型首先应该清楚晶体的点阵常数，晶体类型，这是建立晶体的必要条件。

可以查询体结构资料库获得相关的信息，也可以通过对谱分析获得相关参数。

得到点阵常数，就可以进步计算键合能，密度，热膨