高温陶瓷材料热输运和微观结构的理论研究
发布时间：2020-09-07 13:56
碳化硅和氮化硼陶瓷材料具有耐高温、热导率高和良好的化学稳定性等优点,在机械工业、核能以及航天航空各个领域应用广泛。在碳化硅材料的合成过程中和实际应用条件下,通常都会不可避免的出现空位、间隙子、位错和晶界等各种种类的缺陷,从而影响了材料力学性质和热学性质等物理性能。因此,研究缺陷对碳化硅物理性质的影响及其微观机制具有重要的意义。由于氮化硼与碳结构是等电子的,氮化硼可能与碳的同素异形体具有相对应的结构。近年来,随着更多新型碳的同素异形体的出现,与之相对应的具有优秀物理性质的新型氮化硼结构也得到了广泛的研究。本论文采用非平衡态分子动力学的方法对SiC中的晶界缺陷对其热输运性质的影响进行研究。研究表明晶界的存在对SiC中热流的传输起到阻碍作用,且不同的晶界结构对界面的热导也有不同的影响,由五元环和七元环构成的缺陷对比六元环对热流的阻碍更大。通过对不同长度和不同横截面积情形下体系的热导进行对比,发现碳化硅中晶界热导具有尺寸效应。我们还对Σ9晶界在高温下的界面热阻进行研究,发现当温度大于500K时,界面热阻将随着温度的升高不断增大。此结果主要是由于随着温度的升高,将有更多的低频声子被激发,随着声子与声子间的散射不断增强,界面处的热阻逐渐增加。本论文采用第一性原理密度计算方法,设计了新型的蜂巢型氮化硼材料HCBN。HCBN是一种具有P6m2对称性的六角结构,由互相之间成120°的氮化硼纳米带通过sp~2键链接而成,是一种具有低密度的多孔结构。首先,通过对声子谱、结合能等计算确定了其热动力学稳定性和动力学稳定性;其次,通过对弹性常数的计算又确定了HCBN的力学稳定性,并利用弹性常数的结果计算得到了不同尺寸的HCBN的体弹模量,是一种力学性能较好的结构;最后又对其电学性质进行研究,计算了HCBN的能带结构、PDOS、ELF,结果表明HCBN结构可以表现出本征金属性,并且确定了其金属性的来源为氮化硼纳米带节点处B1原子周围非局域的2p轨道上的电子。我们又对HCBN进行了XRD模拟,通过XRD谱的特征峰可以确定特殊的结构,为实验上分辨和确定新型氮化硼结构HCBN提供了帮助。我们的研究成功预测了一种可以稳定存在的新型蜂巢型氮化硼材料HCBN,其独特的金属性,为氮化硼材料在电子领域的使用提供了途径。本论文第一性原理计算预测并研究了两种新型的氮化硼化合物C12-BN和O16-BN。通过对C12-BN和O16-BN两种结构的能量进行计算,确定了它们的能量稳定性。两种结构的声子谱中都没有虚频的存在,证明了C12-BN和O16-BN的动力学稳定性。通过弹性常数的计算,又进一步确定了两种结构的力学稳定性。我们对C12-BN和O16-BN的力学性质进行了研究,结果表明C12-BN具有较高的体弹模量,且是一种超硬材料。O16-BN的力学性能较差,但是其低密度的多孔结构特性,使其可以稳定吸附Li原子,可能是一种潜在的储能材料。通过电子能带结构和态密度的计算,我们还对C12-BN和O16-BN的电学性质就行了研究,发现两种结构均为绝缘体,带隙分别为3.02 eV和3.54 eV。通过计算两种结构的XRD谱,得到了各自结构的特征峰。我们的工作找到了几种全新的稳定氮化硼结构,丰富了氮化硼家族体系,且为实验上寻找和确定新的优异性能的氮化硼材料提供指导。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.1
【部分图文】：
图 1.1 碳化硅晶体的基本结构单元：Si-C 配位四面体。igure 1.1 The Si-C tetrahedron structural unit of SiC crys 晶体中的堆垛结构层：Si-C 双原子层。有许多种类的同质异形结构，为了比较清晰地描述可以采取碳化硅结构层的方法，即硅碳双原子层。化硅中的硅碳键结合很强，但是组成晶体结构的2.50mJ/m2。从而密排面之间比较容易发生滑移形也是碳化硅拥有同质多型特点的主要原因。在所 原子密排层和 C 原子密排层组成的。其中，Si 原相同平面内的所有六方结构晶格位置形成的；与之 原子通过在同一平面内占据所有的六方结构晶格排层平面都与一个法线方向相垂直。Si 原子密排层
图 1.2 SiC 晶体中的 Si-C 双原子层结构连接示意图。Figure 1.2 The connection schematics of Si-C bilayer in silicon carbide化硅晶体结构中，有很多的硅碳双原子层，且每个硅碳双原子两个最近邻的双原子层结合起来。相邻的碳硅双原子层之间通接形成堆垛，由晶体对称性知识可知共有 3 种可能的连接方式 (b)所示，当碳硅双原子层中的 C 原子与位于相邻硅碳双原子相连接时，后边的硅碳双原子层中碳面上的C原子位于图中的方式为 AB 型连接。第二种连接方式为：当碳硅双原子层中的硅碳双原子层硅面上的 Si 原子相连接时，后边的硅碳双原子子位于图中的 C 位置。此种连接方式为 AC 型连接，如图 1.接方式为：当位于碳硅双原子层的碳面上的碳原子占据图 1.2与相邻双原子层中的硅原子相连接时，后者双原子层碳面上的
图 1.3 (a) 2H-SiC, (b) 4H-SiC, (c) 6H-SiC, (d) 15R-SiC 以及(e) 3C-SiC 五种碳化硅同素异形体在(1 1 -2 0)面上的硅碳双原子层连接示意图。Figure 1.3 The connection schematics of Si-C bilayer in (a) 2H-SiC, (b) 4H-SiC, (c) 6H-SiC,(d) 15R-SiC and (e) 3C-SiC.表 1.1 五种常见 SiC 晶体类型的晶格常数。Table 1.1 Lattice constants of five kinds of SiC allotropes.晶体类型 晶体结构晶格常数/10-10ma c2H-SiC 六方 3.0817 5.03944H-SiC 六方 3.073 10.0536H-SiC 六方 3.073 15.1183
本文编号：2813429
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ174.1
【部分图文】：
图 1.1 碳化硅晶体的基本结构单元：Si-C 配位四面体。igure 1.1 The Si-C tetrahedron structural unit of SiC crys 晶体中的堆垛结构层：Si-C 双原子层。有许多种类的同质异形结构，为了比较清晰地描述可以采取碳化硅结构层的方法，即硅碳双原子层。化硅中的硅碳键结合很强，但是组成晶体结构的2.50mJ/m2。从而密排面之间比较容易发生滑移形也是碳化硅拥有同质多型特点的主要原因。在所 原子密排层和 C 原子密排层组成的。其中，Si 原相同平面内的所有六方结构晶格位置形成的；与之 原子通过在同一平面内占据所有的六方结构晶格排层平面都与一个法线方向相垂直。Si 原子密排层
图 1.2 SiC 晶体中的 Si-C 双原子层结构连接示意图。Figure 1.2 The connection schematics of Si-C bilayer in silicon carbide化硅晶体结构中，有很多的硅碳双原子层，且每个硅碳双原子两个最近邻的双原子层结合起来。相邻的碳硅双原子层之间通接形成堆垛，由晶体对称性知识可知共有 3 种可能的连接方式 (b)所示，当碳硅双原子层中的 C 原子与位于相邻硅碳双原子相连接时，后边的硅碳双原子层中碳面上的C原子位于图中的方式为 AB 型连接。第二种连接方式为：当碳硅双原子层中的硅碳双原子层硅面上的 Si 原子相连接时，后边的硅碳双原子子位于图中的 C 位置。此种连接方式为 AC 型连接，如图 1.接方式为：当位于碳硅双原子层的碳面上的碳原子占据图 1.2与相邻双原子层中的硅原子相连接时，后者双原子层碳面上的
图 1.3 (a) 2H-SiC, (b) 4H-SiC, (c) 6H-SiC, (d) 15R-SiC 以及(e) 3C-SiC 五种碳化硅同素异形体在(1 1 -2 0)面上的硅碳双原子层连接示意图。Figure 1.3 The connection schematics of Si-C bilayer in (a) 2H-SiC, (b) 4H-SiC, (c) 6H-SiC,(d) 15R-SiC and (e) 3C-SiC.表 1.1 五种常见 SiC 晶体类型的晶格常数。Table 1.1 Lattice constants of five kinds of SiC allotropes.晶体类型 晶体结构晶格常数/10-10ma c2H-SiC 六方 3.0817 5.03944H-SiC 六方 3.073 10.0536H-SiC 六方 3.073 15.1183
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 臧航;黄智晟;李涛;郭荣明;;单晶六方SiC和多晶化学气相沉积SiC的常温辐照肿胀差异性[J];物理学报;2017年06期
2 刘桂玲;黄政仁;刘学建;董绍明;江东亮;;碳化硅表面改性和光学镜面加工的研究现状[J];无机材料学报;2007年05期
本文编号：2813429
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