CN113486528A - 钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其包括以下步骤：S1采用分子/原子建模软件构建钼/银高温结构诱发合金化的初始模型，并将其转换成分子动力学模拟软件能够读入的模型数据文件、S2选取能够反应模型中钼和银原子之间相互作用力的势函数、S3设置钼/银高温结构诱发合金化的模拟过程及具体参数，利用分子动力学模拟软件进行计算并输出合金化过程所有原子在不同时刻的坐标文件、S4将坐标文件导入可视化软件对钼/银原子运动过程及界面微观组织结构演变过程进行观察和分析。本发明的基于分子动力学的钼/银高温结构诱发合金化过程的模拟方法能够在原子尺度对界面微观结构演变过程进行分析及可视化。
Description
技术领域
本发明涉及航空实验测试领域，具体涉及一种钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法及测试方法。
背景技术
基于二元不互溶钼/银金属体系制备的层状复合材料由于同时兼具钼的低热膨胀系数和较好的抗原子氧侵蚀的特点及银的高导电导热性和可焊接的性能，可用于近地轨道空间飞行器的太阳能电池点阵互连片。以钼/银层状复合材料代替传统的金属银互连片能够更好地抵抗原子氧的侵蚀，以及抵抗近地轨道热循环导致的材料热疲劳，从而有效的提高太阳能电池点阵的使用寿命，对我国长寿命空间飞行器的服役具有重要意义。但是由于钼和银的不互溶性及物理性能差异大的特点，实现钼/银的直接合金化，制备钼/银层状复合材料面临巨大挑战。
CN103692147A公开了一种互不固溶金属的直接键合连接工艺，采用该种工艺成功地制备了钼/银二元不互溶体系的层状复合材料和棒状连接件。界面的透射电镜表征结果表明，不互溶的金属原子发生了相互扩散，形成了连续的扩散界面，实现了不互溶金属的直接合金化。研究结果也表明，这种工艺实现不互溶金属的直接合金化存在一个临界温度范围，大概在0.81～0.97Tm(Tm为银的熔点温度)之间。由于此临界温度范围非常接近银的熔点，故此工艺也可称为高温结构诱发合金化。但是，由于上述工艺是在较高的温度下进行的，而且整个过程需要氢气进行保护，很难通过实时观测的方法如原位透射电镜来观察原子的扩散迁移过程及界面微观组织演化过程。为此，本发明将采用分子动力学模拟软件LAMMPS对钼/银二元不互溶金属体系的高温结构诱发合金化过程进行计算模拟，以揭示钼和银原子在高温下的扩散迁移和微观组织结构演化过程。
发明内容
本发明为实现在高温下对原子迁移扩散的实时观察和微观组织结构演变，提出了一种基于分子动力学模拟的钼/银高温结构诱发合金化过程模拟的方法，以解决现有高温原子运动和微观组织演变表征困难的技术问题。
具体而言，本发明的技术方案包括以下步骤：S1、采用分子/原子建模软件构建钼/银不同界面匹配的高温结构诱发合金化的初始模型，利用msi2lmp工具将其转换成分子动力学模拟软件能够读入的初始模型数据文件，设置初始模型中钼和银两种原子在X和Y方向的晶格数量与晶格常数成反比例关系，实现界面晶格共格匹配要求；S2、选用扩展型F-S势函数反应模型中钼和银原子之间的相互作用力，将原F-S势中的对势表达式的四次多项式扩展到六次，以增强原子间的排斥作用，在电子密度函数的计算表达式中增加一个四次项，以提高F-S势对FCC金属的描述能力；在扩展型F-S函数反应模型中，体系的总能量E为：
其中，i和j分别表示不同的原子，ρi为原子i所处位置的电子密度；Fi(ρi)为嵌入能，是将原子i嵌入到背景电荷密度中所需要的能量；V(rij)为相距为rij的原子i和j间的排斥对势能，电子密度ρi的表达式为：
对势能V(rij)和电子密度f(rij)的表达式分别为：
其中，r为原子间距离，c和d为位于第二和第三近邻的截断距离，c0、c1、c2和B为待拟合的参数；S3、设置钼/银高温结构诱发合金化的模拟过程及具体参数，编写LAMMPS软件输入文件in文件代码，选用原子数、外压和温度基本恒定的NPT系综，采用Nose-Hoover控温控压方法来调节体系的温度和压力，以保持和实验环境一致；S4、利用分子动力学模拟软件进行计算并输出合金化过程所有原子在不同时刻的坐标文件，然后将坐标文件导入可视化软件OVITO中对钼/银原子运动过程进行观察，并利用OVITO软件中的共近邻分析算法和配位分析算法对界面微观组织结构演变过程进行分析。
优选地，利用分子建模软件Materials Studio导入钼和银的晶胞，通过cleave命令剖切不同的晶面，然后通过Build layers将剖切过的晶胞进行匹配，建立钼/银不同界面匹配的高温结构诱发合金化的初始模型，并利用分子动力学模拟软件LAMMPS安装包中的msi2lmp工具将初始模型转换成LAMMPS软件可读入的初始模型文件。
优选地，设置银和钼的晶格常数比为13：10，XY接触面中X与Y方向的晶格数目的比例为晶格常数的反比。
优选地，所选取的势函数表达式均为多项式，且截断距离位于第二和第三近邻之间，以提高大规模计算中的计算效率。
优选地，在900K～1300K的温度范围内，均方位移MSD值随着温度的升高而增加，且温度越高Mo和Ag原子在Z方向上跳跃的频率越高。
优选地，模拟过程中，在X、Y和Z向均设置为周期性边界条件。
优选地，模拟过程包括衡驰豫、升温、保温和降温4个阶段，首先在300K温度下进行驰豫，随后以一定的升温速率升到设定温度后，并保温一段的时间，最后以一定的速度降温到300K，模拟过程结束。
优选地，将LAMMPS软件计算并输出的原子坐标文件导入可视化软件OVITO中，对钼/银高温结构诱发合金化原子的运动过程进行可视化，并通过OVITO软件对合金化过程中微观组织结构演变过程进行分析。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)该方法能对钼/银不互溶金属体系在高温结构诱发合金化过程进行模拟，并通过可视化软件能够对上述合金化过程中的原子迁移扩散过程及界面微观组织演变进行实时观察，对于分析不互溶金属原子的扩散机制和组织演变机制及指导制备高性能的钼/银不互溶金属层状复合材料具有重要实际意义；
(2)该方法能够在原子尺度上对二元不互溶钼/银金属体系在高温结构诱发合金化过程进行系统地研究，可以实时追踪所有原子的运动轨迹，解决了现有实验表征方法对高温条件下原子运动轨迹进行追踪观察困难的技术问题；
(3)该方法能够对不同二元金属元素体系、不同工艺参数下的高温结构诱发合金化过程进行高通量计算，并通过大量数据的分析挖掘可获得微观组织结构演变规律及原子扩散迁移规律等。该模拟方法计算效率高、计算结果可靠，同时能减少实验工作量、降低实验成本和缩短研究周期。
附图说明
图1为钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法的流程图；
图2为钼/银高温结构诱发合金化模拟的初始模型；
图3为不同温度下钼/银界面结构演化过程；
图4为不同温度下的银和钼原子的均方位移曲线；
图5为不同温度下的银和钼原子的扩散系数；
图6为不同阶段的径向分布函数曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制本发明要求保护的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它所有实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于分子动力学的钼/银高温结构诱发合金化的模拟方法，通过LAMMPS软件计算和OVITO软件对计算结果的可视化及微观结构分析，解决高温微观尺度下原位表征困难的技术问题，以阐明钼/银高温结构诱发合金化过程中原子扩散机制和界面微观组织演变过程，这将对制备高性能的钼/银层状复合材料具有重要的理论指导意义。
一种钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其主要包括以下步骤：
S1、采用分子/原子建模软件构建钼/银高温结构诱发合金化的初始模型，并将其转换成分子动力学模拟软件能够读入的模型数据文件；
S2、选取能够反应模型中钼和银原子之间相互作用力的势函数；
S3、设置钼/银高温结构诱发合金化的模拟过程及具体参数，利用分子动力学模拟软件进行计算并输出合金化过程所有原子在不同时刻的坐标文件；
S4、将坐标文件导入可视化软件对钼/银原子运动过程及界面微观组织结构演变过程进行观察和分析。
下面结合附图并和实施例，对本发明进行详细阐述：
参阅图1，本发明一种基于分子动力学的钼/银高温结构诱发合金化的模拟方法主要包括以下内容：
(1)利用建模软件Materials Studio导入钼和银的晶胞，通过cleave命令剖切不同的晶面，然后通过Build layers将剖切过的晶胞进行匹配，通过Supercell、Cleave和Build layers等命令建立钼/银不同界面匹配的高温结构诱发合金化的初始模型。利用分子动力学模拟软件LAMMPS安装包中的msi2lmp工具将初始模型转换成LAMMPS软件可读入的初始模型文件，见图2。
由于银和钼的晶格常数比大约为13/10，因此为满足界面晶格匹配的要求，图2初始模型中顶部包含有X×Y×Z＝30×30×20＝18000个银晶胞，底部包含有X×Y×Z＝39×39×20＝30420个钼晶胞。这样设计可实现界面晶格共格匹配要求。此时，初始模型中总原子数为132840，其中包含72000个银原子和60840个钼原子。
(3)所选取的钼/银体系的势函数为Finnis-Sinclair(F-S)势，其基本思想是把系统中的每一个原子都看作是嵌入在由其它原子组成的基体中的杂质，将系统的能量表示为嵌入能和相互作用势之和，从而将多原子相互作用归结于嵌入能。
在F-S势中，一个体系的总能量表达式为：
其中，ρi是原子i所处位置的电子密度，是由周围中其它原子贡献的；Fi(ρi)是嵌入能，是将原子i嵌入到背景电荷密度中所需要的能量；V(rij)是相距为rij的原子i和j间的排斥对势能。电子密度ρi的表达式为：
对势能V(rij)和电子密度f(rij)的表达式分别为
其中，c和d是位于第二和第三近邻的截断距离，c0、c1、c2和B是待拟合的参数。
(4)编写LAMMPS软件输入文件in文件代码，控制模拟过程和计算输出文件。模拟过程包括衡驰豫、升温、保温和降温4个阶段，首先在300K温度下进行驰豫，随后以一定的升温速率升到设定温度后，并保温一段的时间，最后以一定的速度降温到300K，模拟过程结束。
模拟过程中，由于原子运动迁移具有不固定性，所以在X、Y和Z向均设置为周期性边界条件。为保持和实验环境一致，模拟过程中始终选用原子数、外压和温度基本恒定的NPT系综，采用Nose-Hoover控温控压方法来调节体系的温度和压力。
模拟过程中输出体系中不同时刻的原子坐标文件和一些计算输出文件，比如原子的均方位移、体系的径向分布函数等。
(5)将LAMMPS软件计算并输出的原子坐标文件导入可视化软件OVITO中，对钼/银高温结构诱发合金化原子的运动过程进行可视化，并通过OVITO软件对合金化过程中微观组织结构演变过程进行分析，并利用OVITO软件中的共近邻分析算法和配位分析算法对界面微观组织结构演变过程进行分析。
(6)图3为不同温度下界面结构的界面剖面图(垂直于X[100]方向)，(a)～(i)的温度分别对应700K、800K、850K、900K、1000K、1100K、1200K、1300K和1350K。从图3中可以发现，不互溶的钼和银原子在高温时能够发生相互扩散，形成扩散层，实现钼和银的合金化；另外，钼/银的合金化及钼/银冶金界面形成必须在一定的临界温度范围内才能发生，这个临界温度范围大致在900K～1300K之间。若以TcmAg为参考，这一临界温度范围大致为0.65(900K/1380K＝0.65)～0.94(1300K/1380K＝0.94)TcmAg。而这一临界温度范围与在实验研究中发现的钼/银高温结构诱发合金化的临界温度范围基本一致，初步证明了分子动力学模拟结果的正确性。
(7)为了定量地说明钼和银原子扩散能力的区别，本发明使用均方位移(MeanSquare Displacement，MSD)来计算钼和银原子的扩散系数。首先利用LAMMPS软件计算了钼和银原子在不同时刻下的均方位移，见图4。图4(a)和图4(b)的横坐标为在不同温度下的保温时间，纵坐标为垂直于扩散界面方向(Z向)的MSD。图4表明，在900K～1300K的温度范围内，均方位移MSD值随着温度的升高而增加。这说明温度越高Mo和Ag原子在Z方向上跳跃的频率越高。同时，对比图4(a)和图4(b)可以看出，当温度为900K时，由于扩散刚开始发生，Mo和Ag的MSD均很小，且两者相差不大。但是，当温度在1000～1300K的范围内时，在相同的温度下，Ag原子的MSD值均大于Mo原子的MSD值，说明与Mo原子相比，Ag原子更容易发生扩散。
然后根据爱因斯坦扩散定律，利用均方位移计算钼和银原子在不同温度下的扩散系数，见图5。从图5中可以看出，在900K时钼和银原子在Z方向上的扩散系数均较小，大小相当；随着温度的升高，钼和银原子扩散系数均随之增加，二者也出现差异，银的扩散系数均高于钼的扩散系数；当温度到达1300K时，钼和银扩散系数差异达到了最大。这一结果说明了银和钼原子之间存在着非对称扩散，导致非对称扩散现象的本质原因是由于高温结构诱发合金化过程中银的高温结构诱发钼原子向银金属中扩散。
(8)为分析钼和银扩散过程中界面的组织结构演化，本发明对钼/银界面结构在不同阶段的径向分布函数(radial distribution function，RDF)进行了统计计算，见图6。其中，图6(a)为模拟过程的温度变化曲线，图6(b)的横坐标为截断半径，纵坐标为不同阶段的RDF曲线。根据图6(b)可知，在A点处，扩散还未发生，RDF曲线的第一峰尖锐且高，第二峰和第三峰明显，具有典型的长程有序的特点，表明此时界面处有较完整的晶体结构，具有一定的有序性。在B点处，RDF曲线的第一峰仍然较为明显，但是第二和第三峰变得非常平缓，几乎消失，表现出短程有序、长程无序的特点。说明在1300K时，由于扩散的发生，造成界面处原子排列混乱，界面处的Mo和Ag原子处于完全无序状态，为典型的非晶相。在C点处，RDF曲线的第二峰和第三峰依然很矮和宽，说明在1300K保温结束后，扩散界面依然保持着典型的非晶相。在D点处，RDF曲线的第二峰发生了明显劈裂，这就意味着在降温阶段扩散界面处开始出现局部有序的结构，而这种局部有序的结构是由于非晶相发生一定程度相分离产生的。因此，在D点时，界面处存在完全无序化和局部有序化的两种结构，这样综合以上两种结构，总的RDF曲线第二峰出现劈裂。但是，从整体上看，D点RDF曲线第二峰和第三峰依然不明显，意味着扩散界面依然保持非晶相。
该方法能对钼/银不互溶金属体系在高温结构诱发合金化过程进行模拟，并通过可视化软件能够对上述合金化过程中的原子迁移扩散过程及界面微观组织演变进行观察，对于分析不互溶金属原子的扩散机制和组织演变机制及指导制备高性能的钼/银不互溶金属层状复合材料具有重要实际意义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有而各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
Claims (8)
1.一种钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、采用分子/原子建模软件构建钼/银不同界面匹配的高温结构诱发合金化的初始模型，并将其转换成分子动力学模拟软件能够读入的初始模型数据文件，设置初始模型中钼和银两种原子在X和Y方向的晶格数量与晶格常数成反比例关系，实现界面晶格共格匹配要求；
S2、选用扩展型F-S势函数反应模型中钼和银原子之间的相互作用力，将原F-S势中的对势表达式的四次多项式扩展到六次，以增强原子间的排斥作用，在电子密度函数的计算表达式中增加一个四次项，以提高F-S势对FCC金属的描述能力；在扩展型F-S函数反应模型中，体系的总能量E为：
其中，i和j分别表示不同的原子，ρi为原子i所处位置的电子密度；Fi(ρi)为嵌入能，是将原子i嵌入到背景电荷密度中所需要的能量；V(rij)为相距为rij的原子i和j间的排斥对势能，电子密度ρi的表达式为：
对势能V(rij)和电子密度f(rij)的表达式分别为：
其中，r为原子间距离，c和d为位于第二和第三近邻的截断距离，c0、c1、c2和B为待拟合的参数；
S3、设置钼/银高温结构诱发合金化的模拟过程及具体参数，编写LAMMPS软件输入文件in文件代码，选用原子数、外压和温度基本恒定的NPT系综，采用Nose-Hoover控温控压方法来调节体系的温度和压力，以保持和实验环境一致；
S4、利用分子动力学模拟软件进行计算并输出合金化过程所有原子在不同时刻的坐标文件，然后将坐标文件导入可视化软件OVITO中对钼/银原子运动过程进行观察，并利用OVITO软件中的共近邻分析算法和配位分析算法对界面微观组织结构演变过程进行分析。
2.根据权利要求1所述的钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其特征在于，利用分子建模软件MS导入钼和银的晶胞，通过cleave命令剖切不同的晶面，然后通过Build layers将剖切过的晶胞进行匹配，建立钼/银不同界面匹配的高温结构诱发合金化的初始模型，并利用分子动力学模拟软件LAMMPS安装包中的msi2lmp工具将初始模型转换成LAMMPS软件可读入的初始模型文件。
3.根据权利要求1所述的钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其特征在于，设置银和钼的晶格常数比为13：10，XY接触面中X与Y方向的晶格数目的比例为晶格常数的反比。
4.根据权利要求1所述的钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其特征在于，所选取的势函数表达式均为多项式，且截断距离位于第二和第三近邻之间。
5.根据权利要求1所述的钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其特征在于，在900K～1300K的温度范围内，均方位移MSD值随着温度的升高而增加，且温度越高Mo和Ag原子在Z方向上跳跃的频率越高。
6.根据权利要求1所述的钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其特征在于，模拟过程中，在X、Y和Z向均设置为周期性边界条件。
7.根据权利要求1所述的钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其特征在于，模拟过程包括衡驰豫、升温、保温和降温4个阶段，首先在300K温度下进行驰豫，随后以一定的升温速率升到设定温度后，并保温一段的时间，最后以一定的速度降温到300K，模拟过程结束。
8.根据权利要求1所述的钼/银高温结构诱发合金化的分子动力学模拟方法，其特征在于，将LAMMPS软件计算并输出的原子坐标文件导入可视化软件OVITO中，对钼/银高温结构诱发合金化原子的运动过程进行可视化，并通过OVITO软件对合金化过程中微观组织结构演变过程进行分析。
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