Cu/Al热轧扩散复合界面原子扩散的分子动力学模拟

论文摘要

利用轧制复合的办法生产金属复合材料已经成功地在工业生产中应用很多年了。但是，如何科学地揭示复合金属界面之间的相互作用，很久以来是一个备受关注的问题。近年来，利用分子动力学方法研究材料复合机理取得了重要进展。本文用基于普适嵌入原子势函数（GEAM）的经典分子动力学模拟了温度和压力对Cu/Al热轧扩散复合过程中界面原子扩散的影响，从原子尺度对界面原子的扩散行为进行了分析计算，用爱因斯坦扩散定律计算得到温度分别为400K、500K、700K、800K时铜原子和铝原子扩散系数，其中在800K时界面处铜原子和铝原子的扩散系数计算值分别是1.85×10-11m2/s、4.83×10-9m2/s，比400K或500K时大两个数量级。用Arrhenius关系计算得到界面原子的扩散激活能分别为QAl=0.33eV，QCu=0.53eV。计算结果还表明：铜铝在较低温度复合过程中界面原子之间没有明显扩散，而在800K时界面原子明显发生扩散，扩散主要是铜原子向铝原子层扩散，只有少量的铝原子扩散到铜原子层，界面原子的扩散激活能比晶内原子扩散激活能小。而且提高轧制压力有利于界面原子的扩散，当施加10MPa到15MPa压力时，界面扩散略有改善。当压力提高到20MPa时，扩散比较明显。最后我们通过对扩散层浓度计算得知，动力学时间100ps后，铝原子在铜一侧的过渡层中所占比例是8.9at﹪，没有达到温度为800K时Al在Cu中的溶解度19.7at%，所以足够的保温时间对界面的扩散也有很好的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 绪论
• 1.1 复合材料及其制造技术的发展
• 1.1.1 树脂基复合材料
• 1.1.2 C/C 复合材料
• 1.1.3 陶瓷基和金属基复合材料
• 1.1.4 纳米复合材料
• 1.2 金属层状材料复合
• 1.2.1 金属层状复合技术
• 1.2.2 热轧扩散复合
• 1.3 分子动力学方法在材料科学的应用
• 1.3.1 薄膜形成过程的研究
• 1.3.2 界面研究
• 1.3.3 固体体相结构性能的研究
• 1.4 本文研究的目的与意义
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究内容
• 1.4.3 研究意义
• 2 计算方法
• 2.1 经典分子动力学方法
• 2.1.1 分子动力学的基本思想
• 2.1.2 运动方程的数值求解
• 2.1.3 边界条件与初值
• 2.1.4 势能函数
• 2.1.5 势参数的确定
• 2.1.6 系综
• 2.1.7 感兴趣量的提取
• 2.2 扩散系数与扩散激活能的计算理论
• 2.2.1 均方位移
• 2.2.2 Arrhenius 关系
• 2.3 分子动力学模拟软件
• 2.3.1 Materials Studio
• 2.3.2 Materials Explorer
• 2.4 算例
• 2.4.1 模型的建立
• 2.4.2 模拟过程
• 2.4.3 实验结果与结论
• 3 Cu/Al 热轧扩散复合界面原子扩散的分子动力学模拟
• 3.1 模型的建立
• 3.2 势能函数及参数
• 3.3 计算过程
• 3.4 计算结果
• 3.5 结果分析
• 3.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢