EB-PVD沉积ZrO 2 涂层的动力学蒙特卡洛模拟

发布时间：2024-12-21 05:00

　　热障涂层（TBC）已经在航空发动机和燃气轮机上实现工程应用,其中以ZrO₂为主要成分的YSZ涂层应用最为广泛。电子束物理气相沉积（EB-PVD）技术是制备TBC的主要方法之一,特别是其柱状晶结构有效减小了涂层在服役过程中的热应力而使其具有超长寿命。传统的实验研究方法存在周期长、成本高的缺点,也无法揭示内在物理机制,因此以动力学模特卡洛（KMC）方法为代表的数值模拟广泛应用于EB-PVD沉积过程的理论研究工作以用于揭示涂层沉积过程和改进生产工艺。然而,缺乏KMC模拟所必需的势函数是进行ZrO₂沉积过程模拟的主要障碍之一。本论文首先采用第一性原理方法并结合分子动力学方法拟合出ZrO₂势函数,进而建立了基于KMC的EB-PVD沉积ZrO₂涂层理论模型,然后采用该模型研究了EB-PVD工艺参数对所制备涂层组织结构和形貌的影响。本文首先利用第一性原理方法对ZrO₂超胞进行结构优化,同时利用粗粒化方法对超胞模型降维简化,建立粗粒化ZrO₂模型。为了拟合获得适用范围更广的...

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题背景及意义
    1.2 热障涂层基本原理及应用效果
    1.3 热障涂层制备方法
        1.3.1 热喷涂
        1.3.2 电子束-物理气相沉积
        1.3.3 等离子-物理气相沉积
        1.3.4 PS和EB-PVD涂层性能比较
    1.4 ZrO₂及二氧化锆掺杂二元氧化物热障涂层的研究现状
        1.4.1 ZrO₂热障涂层的实验研究
        1.4.2 涂层计算机模拟研究
    1.5 本文的主要研究内容及思路
第2章 计算机模拟涂层生长理论基础
    2.1 分子动力学理论
        2.1.1 力场简介
        2.1.2 能量最小化
        2.1.3 体系系综简介
        2.1.4 温度及控温方法
        2.1.5 势函数截断半径
    2.2 蒙特卡洛理论
    2.3 粗粒化模拟
    2.4 势函数拟合理论方法
        2.4.1 直接玻尔兹曼反演
        2.4.2 蒙特卡罗反演
        2.4.3 力匹配法
        2.4.4 相对熵法
        2.4.5 迭代玻尔兹曼反演
    2.5 涂层生长理论
        2.5.1 薄膜生长模式
        2.5.2 EB-PVD结构区域模型
        2.5.3 表面形核与生长
    2.6 密度泛函理论
        2.6.1 Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程
        2.6.2 交换关联泛函
    2.7 卷积平滑(Savitzky Golay滤波器)
    2.8 本章小结
第3章 粗粒化ZrO₂势函数的拟合
    3.1 ZrO₂分子构型建模
    3.2 输出文件格式转换
    3.3 目标径向分布函数计算
    3.4 多态迭代玻尔兹曼反演计算势函数
        3.4.1 映射文件编写
        3.4.2 多态迭代玻尔兹曼反演
    3.5 本章小结
第4章 EB-PVD沉积ZrO₂热障涂层理论模型的建立和应用
    4.1 EB-PVD沉积ZrO₂涂层理论模型的建立和实现算法
        4.1.1 扩散能垒的计算
        4.1.2 沉积过程数学模型的建立
        4.1.3 沉积过程的KMC算法
    4.2 工艺参数对EB-PVD沉积ZrO₂热障涂层形貌的影响
        4.2.1 基板温度
        4.2.2 粒子初始动能
        4.2.3 沉积速率
        4.2.4 差异分析
    4.3 本章小结
结论
参考文献
硕士期间发表学术论文及其他成果
致谢



本文编号：4018442