微波合成SiC的热动力学过程及机理模拟研究

发布时间：2023-04-02 01:29

　　微波加热具有快速、环保、节能等优点,备受全球瞩目,微波合成SiC是材料合成领域的研究热点之一,尽管已有大量的实验研究,但由于实验条件的限制,微波合成SiC过程仍存在诸多问题:电场分布不清楚影响加热稳定性,限制了微波技术推广;加热过程中材料热效应不清晰,微波加热机理不系统;原子反应扩散过程复杂,SiC晶体生长不可控。随着计算机技术和数值计算方法的高速发展和日趋成熟,研究者们开发出一系列的模拟软件,成功应用于材料合成等领域。计算机模拟基于理论和实践经验,克服了实验条件的苛刻性和实验环境的严酷性,并且能够有效解读黑匣子式实验过程,分析物理化学机制。文中使用多物理场耦合仿真软件COMSOL模拟出了不同谐振模式下谐振腔中的电场分布,研究了样品位置和数量引起的电场变化规律;并模拟了样品的升温过程,显示了内部温场分布,分析了热效应的产生机理;最后通过分子动力学模拟软件Materials Studio中的CASTEP模块模拟研究了碳原子扩散的影响因素。模拟结果表明:谐振腔长度为半波长的整数倍时,对应不同模式下的电磁谐振度最高,谐振腔中心位置处电磁谐振均匀性最好,C在中心位置的温度场最有利于SiC的合成...

【文章页数】：63 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
1 引言
    1.1 研究背景及意义
    1.2 微波合成SiC的研究现状
        1.2.1 实验研究现状
        1.2.2 理论计算现状
    1.3 微波加热及数值计算方法
        1.3.1 微波加热的特点
        1.3.2 微波加热原理
        1.3.3 有限元法
        1.3.4 边界元法
        1.3.5 有限差分法
    1.4 分子动力学模拟方法
        1.4.1 分子动力学模拟软件
        1.4.2 MaterialsStudio软件在材料领域中的应用
    1.5 第一性原理和CASTEP模块理论
        1.5.1 绝热近似
        1.5.2 单电子近似
        1.5.3 密度泛函理论
        1.5.4 CASTEP模块理论
    1.6 选题目的及意义
    1.7 课题的主要内容和创新点
        1.7.1 课题的主要内容
        1.7.2 课题的创新点
2 微波谐振模式对电场分布的影响
    2.1 矩形波导
    2.2 微波谐振腔
    2.3 矩形波导谐振腔内电场分布模拟
        2.3.1 不同位置处C的电场分布
        2.3.2 不同位置的C对样品外部电场的影响
        2.3.3 样品数量对电场分布的影响
3 SiC合成过程中材料内部温场分布
    3.1 微波热耦合控制方程
    3.2 微波加热碳的动态过程模拟
        3.2.1 建模及参数设置
        3.2.2 碳的温度变化过程及微波损耗特征
        3.2.3 碳的介电损耗与电导损耗的变化特性
    3.3 模拟分析微波热效应的影响因素
        3.3.1 复介电常数的影响
        3.3.2 电导率的影响
        3.3.3 微波输入功率的影响
        3.3.4 保温结构的影响
        3.3.5 杂质的影响
        3.3.6 加热时间的影响
4 微波场中原子扩散增强机制模拟
    4.1 碳的电场强化机制模拟
    4.2 模拟分析碳原子扩散增强的影响因素
        4.2.1 电场作用下石墨超晶胞的分子动力学过程模拟
        4.2.2 空位对C原子扩散的影响
        4.2.3 S原子掺杂对C原子扩散的影响
5 结论和展望
参考文献
致谢
作者简历



本文编号：3778253