多晶碳化硅纳米刮伤机理的分子动力学研究外文翻译资料

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计算材料科学 148 (2018) 76–86

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计算材料科学

纳米尺度划痕的分子动力学研究

多晶硅碳化硅的形成机理

摘要

本研究采用三维分子动力学模拟方法研究了纳米尺度的划痕现象Voronoi位旋转切割法制备多晶SiC的机理。通过模拟，讨论了划痕过程、SiC晶体结构评价、划痕力、应力、温度、表面形貌和亚表面损伤等问题。结果表明，多晶SiC的韧性划痕过程可以在纳米尺度的切割深度内通过非晶结构相变实现，这是纳米SiC划痕的主要材料去除机制。硅原子能渗入金刚石磨粒中，造成金刚石工具的磨损。在划痕过程中，无序晶界原子向六方金刚石结构过渡，产生位错。此外，较高的划伤速度会导致较小的划伤力、较小的法向应力和较高的温度，因为较大的冲击会破坏更多的Si-C键，这使得SiC材料更具韧性，更容易去除。由于晶界应力集中，切向应力与晶界的几何形状和位置有很大的关系。研究还发现，较高的刮擦速度促使砂粒前端的堆积原子向砂粒侧流动，形成沟槽突起，从而获得较浅的SSD厚度和较宽的SSD层。SSD结果还表明，在多晶SiC划痕过程中，至少存在三种材料去除机制：非晶态转变、沿晶断裂和穿晶断裂。

关键词

纳米划伤机理 多晶SiC陶瓷 分子动力学 材料去除机制 晶体结构演化

1.介绍

碳化硅（SiC）等陶瓷碳化物由于其高共价性而具有热机械性能和化学性能的诱人组合，使其成为汽车、航空航天、航空、激光机和核能等高温结构应用中最有用的材料之一。碳化硅具有良好的热稳定性和化学稳定性，优异的抗氧化性、耐腐蚀性和耐磨性，以及较好的抗高中子辐照性能，是一种很有前途的恶劣环境用碳化硅材料。然而，SiC陶瓷固有的脆性和硬度特性使其难以加工，加工表面常被裂纹破坏。表面/亚表面的裂纹会导致SiC陶瓷零件的强度退化和失效，，这可能会导致应用过程中的灾难性后果。SiC无裂纹加工的另一种解决方案是延性加工，实验中在切削深度为亚微米或纳米尺度时实现了这一点。然而，对于SiC材料的延性加工机理，尤其是纳米尺度的延性加工机理尚不完全清楚，纳米尺度的延性加工对于获得高质量的磨削表面和拓宽SiC材料的应用范围具有重要意义。

通过分子动力学（MD）模拟研究SiC纳米加工过程的研究很少。在单晶6H-SiC纳米级车削模拟中，SiC提供了极高的切削阻力，导致1km切削长度后金刚石刀具磨损严重。Noreyan等人。用金刚石针尖对立方碳化硅（b-SiC）纳米压痕进行了MD模拟，结果表明，压痕过程中b-SiC的弹塑性

转变临界深度对压痕速度和工件温度的影响很小。本文报道了单晶碳化硅金刚石磨削过程中刀磨损机理，即局部高温与大量切削力复合，导致碳化硅和金刚石刀具发生sp3-sp2有序-无序转变，引起碳化硅的韧性响应，导致金刚石石墨化，从而导致刀具磨损。由于多晶材料的微纳米结构和缺陷，如空洞、位错和晶界等，使其表现出与单晶材料不同的材料性能和加工响应。基于多晶金属的实验结果，GB结构可以影响许多与断裂和塑性相关的材料性能。由于尺寸效应，纳米晶粒材料比微米晶粒材料具有更高的硬度和断裂强度。晶粒尺寸为10–20 nm的纳米晶SiC薄膜的显微硬度达到50 GPa[17]，大大超过大块碳化硅的相应值（28 GPa）。利用纳米尺寸的b-SiC薄膜，在光谱的蓝色区域获得了强烈的发光，在体间接带SiC半导体中具有较低的光输出。Goel等人进行的MD模拟。Goel等人进行的MD模拟发现当单晶衬底转变为多晶衬底时，由于切屑形貌的不同，切割区的von-Mises应力下降约30%。Goel等人还研究了多晶硅和单晶硅在压痕中的变形机理，通过MD模拟，揭示了高压相变（HPPT）在硅中的发生在所有情况下，然而，在多晶硅中，HPPT更倾向于沿晶界而不是沿晶界发生。陈等人指出MD模拟表明，多晶石墨烯的杨氏模量和断裂强度对温度和应变速率的变化比单晶石墨烯更为敏感。在MD模拟的所有切削条件下，多晶铜的切削力均小于单晶铜。在镜面磨削实验中，与单晶SiC相比，多晶SiC的晶粒取向和硬度不同，导致磨削痕迹不均匀，磨粒磨损较大，表面粗糙度较低。在单晶和多晶碳化硅线锯实验中，多晶碳化硅比表面粗糙度均匀的单晶具有更低的切屑和不均匀的表面粗糙度（顶部粗糙，底部光滑）。因此，对具有微观结构的材料（如多晶结构）的加工研究具有重要的现实意义。然而，目前还没有研究多晶碳化硅的纳米力学响应的模拟研究，实验研究只是粗略地描述了晶粒取向对表面粗糙度的影响，没有深入解释纳米尺度的机理。为了填补这一研究空白，本研究旨在通过MD模拟研究多晶碳化硅纳米尺度的划痕，为科学知识的积累做出贡献。

论文的其余部分组织如下。下一节简要介绍了聚晶SiC和单颗金刚石磨粒模型的建立，并给出了MD模拟参数。在此基础上，给出了纳米尺度划痕的模拟结果，重点观察了划痕过程、晶体结构演化、划痕温度、划痕力和应力以及亚表面损伤（SSD）的结果，最后得出结论。

2研究方法

2.1. MD中的单颗粒划伤模型

在MD模拟中，材料的性质由相对原子质量、位置和原子间势函数决定。相对原子质量可以从元素周期表中得到，碳原子和硅原子的相对原子质量分别为12和28。原子的位置由晶体结构和晶格长度决定。金刚石磨粒中碳原子呈立方晶体结构，晶格长度为3.57Aring;。碳化硅具有闪锌矿结构，晶格长度为4.35Aring;，硅原子位于晶胞的角部和表面中心，碳原子位于晶胞内部。势函数是描述原子势值的物理曲线，它决定了原子间的相互作用力和能量。精确的势函数是MD模拟的必要条件。对于共价键晶体，如SiASi、CAC和SiAC，Tersoff势函数具有很好的精度。对于没有键连接的原子，常用的势函数是Morse势函数。在本研究中，将金刚石磨粒设定为刚性体，不需要特定的电位。SiC中Si和C之间的势函数为Tersoff，参数为。金刚石中的C与SiC中的Si之间的势函数为Morse，参数D、a和ro分别为0.435、4.6487和1.9475。对于金刚石中的C和SiC中的C，势函数也设置为Morse，其参数D、a和ro分别为2.423、2.555和2.522。

2.2. 多晶SiC工件模型

Voronoi图，它将一个有n个点（称为种子）的区域划分成凸多边形，使得每个多边形正好包含一个生成点，并且给定多边形中的每个点都比其他任何点更接近其生成点。本研究利用Voronoi图来制备SiC纳米晶。考虑到晶粒取向的不同，在每个种子上附加一个旋转矩阵来调整晶粒取向。种子和相关的旋转矩阵是随机生成的，由杂交种子组成。首先在预制单晶工件区域生成混合种子的Voronoi图。然后，围绕矩阵种子旋转预构建工件配置（无限复制）的副本，并由相应种子周围的Voronoi多边形切割以生成晶粒。所有经过Voronoi位旋转和切割的晶粒被粘贴在一起，形成多晶。尽管粒种是随机放置的，但粒径（粒体积）的分布可以按照伽马分布进行拟合。平均晶粒度由单位工件体积内的平均种子数控制。本研究选取平均粒径为的SiC多晶模型。从多晶SiC模型Voronoi构建的预试验来看，6ⅹ3ⅹ2（X方向6个晶粒，Y方向3个晶粒，Z方向2个晶粒）中的晶种具有较好的转变速率（多晶中的原子/原单晶中的原子），高达99.99%。因此，采用尺寸为60ⅹ30ⅹ20 的SiC单晶，建立了6ⅹ3ⅹ2多晶模型。为了节省计算机资源，从多晶模型内部取划伤过程中预先独立研究确定的块体尺寸为30ⅹ15ⅹ10，作为SiC工件。

图1(a)给出了用于MD模拟的多晶SiC工件模型。每种谷物都用不同的颜色来标记，以增强可识别性。在晶粒表面周围，原子被合并以形成被深蓝色着色的GBs。SiC工件共产生438012个原子，定义为三种原子：边界原子、恒温原子和牛顿原子，如图1（b）所示。为了防止划伤过程中整个工件的滑动，在划伤过程中固定了厚度为0.5nm左右的边界原子。恒温器原子位于具有相同0.5nm厚度的边界原子旁边，用于保持系统能量稳定。工件中的剩余原子被设定为牛顿原子。恒温器原子和牛顿原子都符合经典牛顿定律。现有模型在Y轴上采用周期边界来逼近一个大（无限）系统，在有限的计算能力下可以得到精确的结果。将金刚石磨粒（浅蓝色）简化为直径为10nm的半球形，由46079个原子组成，沿负X轴由右向左移动，以设计的划伤速度和划伤深度划伤SiC工件。

2.3. 仿真参数

在本研究中，共进行了15次模拟，划痕速度为25、50、100、200和400 m/s，切割深度为1、2和3 nm，如表1所示。研磨距离为20nm，可分为两个阶段。第一阶段是从0到5nm的刮擦距离，在该阶段中，磨料切割到工件中，并且切割的实时深度通常增加。第二阶段是在5-20纳米刮伤距离范围内，其中切割深度保持不变。工件的初始温度为293k，这是通过使用随机数发生器和指定的种子来衡量原子的速度来设置的。由于刮擦过程中有相当多的能量传导到恒温器原子，在MD模拟过程中，采用速度重标度方法，每五个计算时间步调整一次原子速度，使恒温器原子保持在293k的恒温。

表1

MD模拟中使用的计算参数

刚旋涡化的零件往往会产生许多意想不到的残余应力和高能缺陷，影响工件的性能。为了消除这些额外的特征，在模拟之前，通过反复调整原子坐标，在恒定体积和温度（NVT）系综中进行MD模拟，对多晶结构进行时效处理以最小化能量。当满足其中一个停止条件时，迭代终止。本研究采用的停止准则是能量容限小于或力容限小于或最大迭代次数达到20000次。松弛后的模型被保存到一个重启文件中，作为所有MD模拟的输入，这样可以保持工件的特性不变，并为下次模拟中的能量最小化节省大量时间。

所有MD模拟都是使用经典分子动力学软件包LAMMPS（费城，PA）完成的。时间步长设置为0.001皮秒。在模拟中，磨粒随刮削速度和切削深度沿X轴负向移动，去除SiC工件中的材料。原子信息包括位错和结构结果以转储文件的形式输出，每0.2nm划痕距离输出一次。力、应力、温度和能量结果每0.1皮秒保存到一个日志文件中。通过MATLAB（Mathworks，MA）仿真，分析了力、应力、温度和能量的计算结果。OVITO读取转储文件，通过自动位错提取算法（DXA）分析位错和结构结果。

3.结果和讨论

3.1. 刮伤过程

在200 m/s划痕速度和3 nm切割深度下，Y=7.5 nm的多晶工件的五个横截面图像如图2所示。在划痕开始时，如图2（a）所示，金刚石磨粒与SiC工件没有接触。在横截面区域可以识别出不同的晶粒取向。在晶粒中，原子无序排列的取向过渡区为GB，用虚线标出。当晶粒移动到l=5nm时，如图2（b）所示，磨粒周围的SiC原子被推动堆积，从而产生变形的切屑或沿磨粒侧面流动，从而在工件表面产生刮擦突起。此外，由于接触区的高温和应力[9,11,12]，一些硅原子进入硬质金刚石磨粒，导致金刚石工具的有序-无序转变，从而导致SiC中的硅与金刚石中的碳原子发生化学反应。这一现象可能导致金刚石磨粒的磨损，从而导致SiC磨削中的低G比（去除材料的体积/砂轮磨损的体积）。由于金刚石的刚性设置，本模拟中未研究金刚石的磨损。如图2（c）–（e）所示，当磨料继续切割碳化硅工件时，更多的碳化硅原子被去除，更多的晶粒被切割，形成塑性变形切屑和凹槽突起。由于更多的硅原子渗透到金刚石中，磨粒潜在磨损区进一步增大。磨粒通过后，磨面光滑，无裂纹，表明SiC在纳米尺度划痕过程中的延性材料去除过程。

3.2. 晶体结构分析

图3显示了使用OVITO中的DXA在划痕过程中的晶体结构分析结果。在磨料与工件接触之前，在横截面Y=7.5 nm处显示了7个晶粒，如图3（a）所示。晶粒被具有非晶态结构的GBs分离，这是由于GB中的晶粒取向转变，如图2（a）所示。由于缺乏表面原子的邻域，工件和磨粒表面也出现了非晶态结构。晶粒和金刚石磨粒内的原子显示出原始的立方金刚石/闪锌矿结构，并以浅蓝色标记。如图3（b）所示，当磨料切割到碳化硅工件时，G2发生变形并转变为非晶态结构。G5和G13之间的晶界变厚是由于晶粒表面在刮擦力和温度的作用下被重构并转变为非晶态结构。此外，由于硅原子的渗入，金刚石磨

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