包裹法制备SiCCu复合粉体的界面行为模拟研究

1目录•一、选题背景和研究意义•二、本项目需要解决的关键问题及创新点•三、SiC/Cu的晶体生长模型•四、第一性原理预测SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)的界面结构•五、结论21.1SiC/Cu复合材料的实际应用基础较高的机械强度，好的热物理性能，高的弹性模量，好的抗氧化性能，大的高温强度优良的导电和导热性，与银相比，质量小、熔点高、成本低与铝相比，电导率和热导率远远高于铝SiC/Cu复合材料由于其卓越的力学、热学和电学性能受到了越来越多的关注，31.2研究的目的和意义•Y.CHAMPIONHandS.HAGEGE:复合材料的相界与晶界在复合材料的性能中扮演着重要的角色，这一领域的研究方向就是建立界面结构与其物理性质之间的联系。目的：通过模拟SiC/Cu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形式,从而得到材料的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，为进一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。4•基体与增强体两相间弱的结合力限制了其发展。界面问题成为改善该材料性能的关键问题。虽然许多报道解释了实验中的包裹行为，但是还没有报导对包裹的细节过程从理论上证实。•因此，采用计算机模拟包裹的细节过程，用计算机分析包裹过程中的动力学生长规律是很有意义的。51.3国内外的研究现状•本课题主要研究界面的生长动力学过程，采用的模拟方法主要是蒙特卡洛方法和分形的相关方法。•蒙特卡洛方法蒙特卡洛方法是根据待求问题的变化规律构造的概率模型，依据此模型进行大量统计而得出某些统计参量的方法。•分形生长模型扩散受限制的凝聚（Diffusion-LimitedAggregation，简称DLA模型）模型6扩散受限制的凝聚（DLA）模型•1981年,为研究悬浮在大气中的煤炭、金属粉末或烟尘的扩散凝聚问题时提出的模型。•该模型是在一个正方形点阵的中心格点上放置一个静止的微粒做为种子，以该点为圆心，R为半径做一个圆，在这个圆上随机地释放一个微粒，在圆内做布朗运动的随机行走，如果微粒与种子微粒相撞，那么就令它附着在种子微粒上并与之结合形成凝聚集团，如果微粒走到圆的边界或离开这个圆，则令它消失。DLA模型示意图7扩散受限制的凝聚（DLA）模型•HiroshiMizuseki：用引入外加力场DLA模型研究了在高磁场下电化学沉淀的晶体式样，模拟的结果与试验结果非常接近。标准DLA模拟样品观察到无磁场的银叶样品洛仑兹力和电解液梯度下模拟晶体生长观察到的加载垂直于盘面的磁场得到的银叶式样8扩散受限制的凝聚（DLA）模型李建伟,郑宁,葛岭梅：在标准的DLA模型中，以体系中微粒间的相互作用势作为结晶和脱附事件发生的概率控制条件，得到了与微晶玻璃中实际晶相结构非常近似的模拟结果。玻璃目相中微晶的生长过程92.1研究内容和解决的关键问题•主要研究内容：（1）运用蒙特卡洛方法和分子动力学方法模拟包裹过程中Cu原子在SiC颗粒表面上附着，进而形成Cu微晶的过程。（2）建立SiC/Cu复合材料界面(相)区域的原子级模型，探索SiC/Cu复合材料的界面形成过程。•主要解决的关键问题：（1）Cu微晶形成过程的动力学模拟问题；了解影响Cu微晶生长的因素；（2）SiC/Cu复合粉体的界面形态问题；（3）Cu和SiC表面氧化物对界面相的影响问题，了解氧桥对界面结合的影响。102.2创新点和主要技术难点创新点：（1）选择计算机模拟SiC/Cu复合材料，弥补了实际试验手段无法观察到微观粒子的动态变化的缺点，降低了试验成本，缩短这种新材料体系的开发时间。（2）对SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)复合材料建立了一个完整的体系，对界面动力学过程进行分析。需要解决的主要技术难点：（1）晶体生长模型的建立。Cu2+→Cu→从溶液中析出→在SiC颗粒上成核和生长→微晶因此，晶体生长模型应围绕溶液中的晶体生长，特别对低过饱和度条件下实际单晶在溶液中生长动力学来进行研究。（2）界面物理，界面化学表征。SiO2和Cu2O之间的通过氧桥结合会对SiC/Cu界面产生何种影响。113.1SiC/Cu的晶体生长模型制备的SiC悬浮溶液相当于很多巨大的具有一定形状的微粒种子，Cu原子则是逐渐释放的粉尘，溶液旋转使Cu原子能附着于SiC颗粒的每个表面，这与从边界上随机释放微粒也是同样的原理。采用DLA模型模拟颗粒包裹动力学过程CuSO4·5H2O纳米SiCSiC、CuSO4混合液磁力搅拌30minZn粉磁力搅拌30min沉淀，静置调节pH值至2左右抽滤，清洗，真空干燥SiC/Cu复合材料123.2理论基础式中，是Kroneckerdelta函数，J是设置模拟能级的正常数，si是占据格点i上的基体粒子，sj是与格点i最近邻格点上的粒子。本系统中可近似地理解为随着Cu粒子逐渐附着在SiC颗粒表面，形成微晶过程中体系的总能量相应降低的情况。计算因位置变化而引起的能量变化ΔE，通过计算改变化几率W判断游离微粒sj能否扩散并附着在相邻格子si上。若ΔE0，则附着几率为exp(-ΔE/KT)，此时在[0,1]区间内产生一个随机数n.若exp(-ΔE/KT)n，则发生附着结晶；若exp(-ΔE/KT)n，则只有在体系能量降低，即ΔE≤0的情况下才能附着，否则该粒子只能重新回到溶液中。)1(,NNjisisjJEsisj)0(1)0()/exp(EEKTEW133.3模拟流程图在二维平面上划分为NN个格点的网格构造各种具有不同分形特征的SiC颗粒的边界范围在此边界上以一定的速率释放Cu原子设置凝聚范围ΔE≤0ΔE0附着附着几率W＝exp(-ΔE/KT)附着脱附随时判断运动粒子与边界的距离，若移动到边界则令其消失模型做出以下假设和近似：1忽略旋转切向力的作用；2对于是Cu原子先在SiC颗粒上形核长大最后形成微晶，还是先自发形核形成微晶后再在SiC颗粒上沉淀的两种可能情况，本论文根据相关理论，重点只考虑前者；3假设SiC颗粒在反应溶液中分散得足够均匀；4只考虑Cu2+被Zn粉从溶液中还原出来后的情况。143.4模拟结果Cu微晶在SiC颗粒表面包裹过程的模拟结果（a）原始SiC颗粒；（b）1min;(c)5min;and(d)10min孤立的Cu形核区域枝状微晶Cu微晶在SiC颗粒棱角处接触面积小、系统势能高153.5实验结果Cu晶体完美生长，主要为树枝状晶生长，其微晶生长方式与模拟结果相近。空壳，没有氧桥16SiC颗粒形貌呈尖锐棱角状，包裹效果不佳处于棱角处的原子，由于接触面积小，其势能较高而且很不稳定，发生了吸附→脱附过程17包裹的复合粉体中SiC颗粒与Cu呈“核－壳”结构，Cu作为“壳”把SiC颗粒包裹在中间。184.1理论基础•界面结合能()在数值上等于打破界面键、把一个界面分成两个自由的表面所需的能量（忽略界面的塑性变形）。adWAEEEWNOCuCuSiOSiCNSiOSiCNOCuCuNOCuCuSiOSiC)()||()(||0)(||0)()||(222222•其中和分别为孤立的SiC(SiO2)层和Cu(Cu2O)层的总能量；为界面结构的总能量；A为界面面积；N为SiC(SiO2)的层数。)(||02OCuCuE)(||02SiOSiCE)()||(22OCuCuSiOSiCE194.2计算细节•采用MaterialStudio建立了SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)间没有缺陷的五种界面模型：•SiC-Cu界面•SiC(SiO2)-Cu界面，SiC-Cu(Cu2O)界面•SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)界面(没有氧桥)•SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)界面(有氧桥，即SiO2与Cu2O通过共用一个氧原子结合在一起)•采用基于赝势平面波基组密度泛函理论的CASTEP码进行第一性原理计算和优化。采用广义梯度近似的Predew-Wang(PW91)交换相关泛函。平面波扩展的动力学截断能设置为380eV，Monkhorst-Packk点矢量值设为3×3×2。204.3结构表征在SiC/Cu包裹粉体的制备过程中，由于在空气中氧化，SiC颗粒表面覆盖了一层SiO2薄膜SiC(100)-SiO2界面•Cu晶体表面则被由于包裹过程中水解的氧气氧化而覆盖了一层Cu2OCu(001)-Cu2O(001)界面CuOCSi21SiC-Cu界面CuOCSi3.5Å3.2Å22SiC(SiO2)-Cu界面CuOCSi3.5Å3.2Å由于SiO2存在，平衡距离缩短。氧的作用使Cu-Si形成更紧密的结构，电负性存在的作用。23SiC-Cu(Cu2O)界面CuOCSi3.6Å2.9Å24SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)界面(没有氧桥)CuOCSi3.9Å2.8Å25SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)界面（有氧桥）SiO2与Cu2O通过共用一个氧原子结合在一起CuOCSi26四种材料和他们之间形成界面后的总能量材料总能量SiC-6352eVCu-53787eVSiC(SiO2)-14453eVCu(Cu2O)-74589eVSiC-Cu-60382eVSiC(SiO2)-Cu-68562eVSiC-Cu(Cu2O)-81312eVSiC(SiO2)-Cu(Cu2O)(weakmodel)-89176eVSiC(SiO2)-Cu(Cu2O)(strongmodel)-89651eV27五种界面之间的结合能界面结合能SiC-Cu1.98eV/Å2SiC(SiO2)-Cu2.82eV/Å2SiC-Cu(Cu2O)0.86eV/Å2SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)(weakmodel)1.06eV/Å2SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)(strongmodel)5.44eV/Å2285结论•1、采用基于动力学蒙特卡洛方法的DLA模型是可以有效的模拟Cu包裹SiC颗粒的动力学过程。•2、Cu原子在SiC颗粒表面附着，并以树枝状晶生长。在SiC颗粒的棱角处，包裹效果不佳。•3、Cu在初始阶段以树枝状晶生长，在包裹后期，Cu逐渐长成球状晶，从而使包裹的SiC/Cu复合粉体呈现“核－壳”结构。•4、SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)的五种界面模型中有氧桥的SiC(SiO2)-Cu(Cu2O)界面的结合能远远超过了其他几种界面。29THANKYOU！PLEASEGIVEYOURPRECIOUSSUGGESTIONS！