摘 要

碳化硅具有极为优秀的物理化学性质，在日常生产生活方面有着非常广泛的应用。研究碳化硅在拉伸荷载作用下的力学性能、变形行为及其相应的微观演化机制可以帮助人们更深入的了解碳化硅的性能，从而更好的利用碳化硅。

目前，有关碳化硅的研究基本都是完好的碳化硅在荷载作用下的力学性能和微观演化机制的研究，对于带有初始裂纹的碳化硅的研究较少。基于此，本文采用基于分子动力学模拟方法，利用LAMMMPS软件计算了含有初始裂纹的碳化硅晶体在拉伸荷载作用下的变形行为，并分析了不同晶体取向对裂纹扩展机制的影响。首先进行碳化硅模型的创建，接下来利用LAMMPS软件进行计算程序的编写并进行计算，之后利用Matlab和Ovito进行应力应变关系和微观演化机制的分析。结果表明：含初始裂纹的碳化硅在拉伸荷载作用下，首先经历弹性变形阶段，当应力达到第一个峰值之后，原子键就会产生断裂，应力突然下降，随后裂纹迅速扩展，原子键大规模断裂；[110]晶向的裂纹扩展还表现出不同于[100]和[111]晶向的裂纹扩展角度；三种晶向的应力-应变关系走向基本一致，这与碳化硅的脆性本质密切相关。

本文通过计算并分析碳化硅的力学行为以及微观演化机制，对碳化硅的微观变形机制有了更深刻的理解，为进一步了解和应用碳化硅提供一定的基础。

关键词：碳化硅；分子动力学模拟；力学性能；微观演化机制；初始裂纹

Abstract

Silicon carbide has excellent physical and chemical properties, and has a very wide range of applications in daily production and life. Studying the mechanical properties, deformation behavior and corresponding micro-evolution mechanism of silicon carbide under tensile load can help people understand more deeply the properties of silicon carbide and make better use of silicon carbide.

At present, the research on silicon carbide is basically the study of mechanical properties and micro-evolution mechanism of intact silicon carbide under load. There is less research on silicon carbide with initial cracks. Based on this, This article based on the molecular dynamics simulation method, the deformation behavior of silicon carbide crystals with initial cracks under tensile loading was calculated by using LAMMMPS software, and the influence of different crystal orientations on the crack propagation mechanism was analyzed. First, we will create a silicon carbide model, then use LAMMPS software to compile and calculate the calculation program, and then use Matlab and Ovito to analyze the stress-strain relationship and micro-evolution mechanism. The results show that the silicon carbide with initial crack under the action of tensile load firstly undergoes the elastic deformation stage. When the stress reaches the first peak, the atomic bond breaks down, the stress suddenly drops, and then the crack rapidly expands and the atomic bond breaks down on a large scale; [110] The crack propagation in the crystal direction also exhibits crack growth angles different from the [100] and [111] crystal directions; the stress-strain relations of the three crystal directions are basically consistent, which is closely related to the brittle nature of silicon carbide.

This paper calculates and analyzes the mechanical behavior and micro-evolution mechanism of silicon carbide, and has a deeper understanding of the micro-deformation mechanism of silicon carbide, providing a certain basis for further understanding and application of silicon carbide.

Key words：silicon carbide；molecular dynamics simulation；mechanical behavior；micro-evolution mechanism；initial crack

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究内容 3

第2章 分子动力学研究方法 4

2.1 分子动力学计算模拟及其发展 4

2.2 分子动力学模拟的相关技术 4

2.2.1 理论基础 4

2.2.2 分子体系运动方程的数值解 6

2.2.3 势函数 6

2.2.4 分子动力学模拟的系综 8

2.2.5 边界条件 9

2.2.6 初始条件 9

2.3 分子动力学模拟的研究工具 9

2.4 本章小结 10

第3章 不同晶向SiC中裂纹扩展行为研究 11

3.1 问题描述 11

3.2 [100]晶向的3C-SiC中裂纹扩展过程模拟 11

3.2.1 模型的建立和模拟的方法 11

3.2.2 模拟结果的应力-应变分析 12

3.2.3 模拟结果的微观演化分析 13

3.3 [110]晶向的3C-SiC中裂纹扩展过程模拟 14

3.3.1 模型的建立和模拟的方法 14

3.3.2 [110]晶向下SiC的应力应变分析 15

3.3.3 模拟结果的微观演化分析 15

3.4 [111]晶向的3C-SiC中裂纹扩展过程模拟 17

3.4.1 模型的建立和模拟的方法 17

3.4.2 模拟结果的应力-应变分析 17

3.4.3 模拟结果的微观演化分析 18

3.5 本章小结 19

第4章 结论与展望 20

4.1 主要结论 20

4.2 工作展望 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 课题背景

随着现代制造技术的迅猛发展，人们对于日常工作和生产生活中的各种材料提出了更高的要求，比如：高抗热性能、高电阻能力、耐腐蚀性能等。碳化硅器件是近些年兴起的优良材料，已经逐渐开始大规模取代其他材料。碳化硅的广泛应用决定了人们需要研究碳化硅的各种性能的优劣。

碳化硅(SiC)材料属于无机非金属材料（自然界中存在SiC只是含量甚少，多为人造），具备高温强度、化学稳定性、抗热震性、高弹性模量、高硬度和宽带隙等良好性能。因此，SiC在各个领域都有广泛的运用：碳化硅是最早已知并且在现今依旧普遍应用的半导体材料之一，是制作电子器件、光电子器件、大功率器件的优良材料，可以在高温，高功率，高频率和强辐射等恶劣条件下正常工作；作为完美的宽带隙半导体，SiC是一种绝缘体，其固有电阻率可达3.75×1021Ω·cm；SiC可以作为增强元件来制作陶瓷和聚合物基复合材料等，而且是已知增强元件中的优良材料；SiC有着高温强度这一特性，在诸如冶金、石化等领域得到工作者的广泛赞誉；SiC是具有高导热性的材料之一，在高温条件下工作的各种器具往往使用SiC制作；宽禁带和高化学稳定性的特征让SiC 器件作为LED发射蓝光、激光二极管、抗辐射器件和超低泄电流器件等质料普遍获得利用；其高电子饱和漂移速度使得在高频和微波领域方面SiC 器件具有不可替代的优势^[1]；由于晶格失配低的特性，SiC被看作GaN、AIN最理想的衬底材料之一；SiC 器件在雷达、通讯和广播电视等其他范畴也具备广阔前景。另外，可以通过二氧化硅和碳固体混合物的反应，甲基三氯硅烷的还原，Si3N4与碳的反应以及稻壳的热分解，合成碳化硅^[2]。图1.1显示一些由SiC作为主材料制造的一些器件。

(a) (b)

图1.1 SiC器件(a)为碳化硅肖特基二极管(b)为SiC制成的芯片

1.2 国内外研究现状

纯净的SiC为无色透明晶体，基本构成是Si-C四面体,再通过空间堆叠形成两类：六方体或菱面体的α-SiC、立方体的β-SiC。单向堆积方式的不同导致SiC存在约200种的同质多型体。密堆积有3种不同的位置，记为 A，B，C。上面所说的β-SiC其堆积顺序即为ABCABC…，属于纯立方晶体。另外，α-SiC常见的几种分别为2H-SiC(H = hexagonal)、4H-SiC和6H-SiC，它们的堆积顺序分别为ABAB …, ABACABAC …和ABCACBABCACB …。此外，还有很多菱面体结构的SiC存在，它们也属于六方纤锌矿结构，在此就不一一列举^[3-5]。在所有已发现的晶型，大部分的SiC晶型难以稳定存在，目前已知可以稳定存在的只有3C, 2H, 4H,6H及15R。图1.2自左向右显示3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC的堆叠模型,本次模拟使用3C-SiC晶体进行研究。

图1.2 SiC的堆叠模型，自左往右为3C-SiC、4H-SiC和6H-SiC

由于SiC在各个领域的广泛应用，国内外许多学者对SiC的力学性能进行了研究，比如：Yang等^[6]研究了不同荷载（拉伸、拉伸和剪切双重作用）作用下Cu / SiC界面处的界面裂纹的扩展，发现裂纹扩展的行为取决于加载角度。Yang等^[7]使用分子动力学模拟了拉伸和压缩荷载下单晶Si的力学行为，对于SiC的拉伸研究有着重要参考意义。Kikuchi等^[8]研究3C-SiC的断裂，发现3C-SiC的断裂出现取向相关性（即：不同的取向，其断裂现象不同）。Wang等^[9]运用分子动力学方法研究了微观结构对SiC纳米线力学性能的影响,发现3C晶粒反平行滑移导致SiC纳米线塑性变形。宗亮等^[10]进行了用分子动力学方法研究了存在初始裂纹的β-SiC在拉伸荷载作用下裂纹扩展的微观演化情况和不同应变速率下SiC的力学行为。发现，在一定范围内C元素掺杂无法影响SiC的强度、弹性模量等性能，当超出此范围则SiC的性能会降低：应变速率的不同无法改变β-SiC的杨氏模量，但影响其拉伸强度^[10]。郭宗标等^[11]用 Tersoff势对SiC 在不同温度下初裂纹前缘沿[100]、[110]、[111]三种晶向的裂纹扩展过程进行了分子动力学模拟。其得到的模拟结果表示：SiC材料的裂纹扩展方式为脆性解理断裂,低应力下裂纹尖端表面存在无序带，在保证裂纹张开力作用下，裂纹尖端同过尖锐—钝化—尖锐的方法进行裂纹扩展。不同的晶体取向之间进行比较得出结果：裂纹的扩展过程存在“取向效应”，裂纹延伸的方向脱离了原有晶向(约60度)而选择沿其它晶向传播^[11]。

SiC的多样应用使得人们对SiC的研究很多，然而带有初始裂纹的SiC的研究比较稀少。因此，研究SiC在有裂纹情况下受拉伸荷载，其力学性能和内在结构演化过程的变化就显得尤为重要。

1.3 研究内容

本文利用基于分子动力学的LAMMPS软件研究带有初始裂纹的SiC在拉伸荷载的作用下的力学行为以及微观演化机制，主要研究的内容是：利用LAMMPS软件建立含有边界裂纹的SiC模型（其中包括选用合适的势函数描述原子间的作用力）；利用LAMMPS软件计算，并通过相关后处理软件对所得数据进行汇总分析，研究SiC在拉伸荷载的作用下的变形以及裂纹扩展过程，分析裂纹扩展的过程中对应的内在微观变化过程；改变晶体取向继续计算、分析不同的晶体取向下SiC的裂纹扩展行为的异同。

第2章 分子动力学研究方法

2.1 分子动力学计算模拟及其发展

计算机科学的迅速发展以及科学技术的不断深入研究使得计算机的模拟计算的地位日益突出，受到广泛的研究需要。计算机模拟可以建立现实中难以得到的完美材料模型，从而得到许多实验无法得到或很难精确得到的研究结果的信息。分子动力学模拟属于计算机模拟，能够结合微观信息和宏观信息继而可以发现宏观现象对应的微观演化。分子动力学模拟可以获得包括原子的运动轨迹在内的多种微观信息，进而以微观行为解释宏观现象。目前，分子动力学经过不断的发展进步，已经成为覆盖系统达到数百万个原子水平的重要研究方法^[12]。

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