（1）论文的目的及意义：

SiC 材料是人造共价键化合物材料，有着优异的高温强度、高热导率、高耐磨性和耐腐蚀性[1]。 SiC优越的半导体特性将为众多的器件所采用。SiC 作为高温结构材料 已经广泛应用于航空、航天、汽车、机械、石化等工业 领域。利用其高热导、高绝缘性目前在电子工业中用作大规模集成电路的基片和封装材料。在冶金工业中作为高温热交换材料和脱氧剂,同时作为一种理想的高温半导体材料。随着 SiC 半导体技术的进一步发展,SiC 器件的应用领域越来越广阔[2]。利用其良好的导热性,SiC 器件应用在航空、航天探 测、核能开发、卫星、石油和地热钻井勘探、汽车发动机 等需要高温( 350～500℃)的工作环境中;利用其宽禁带和高化学稳定性,SiC 器件被应用在抗辐射领域; 利用其 高电子饱和漂移速度,高频和微波 SiC 器件具有不可替代的优势; 利用其具有大的击穿电场,高功率 SiC 器件在雷达、通信和广播电视领域具有重要的应用前景。此外,由于SiC晶体与氮化镓( GaN)晶体在晶格和热膨胀 系数上相匹配,以及其具有优良的热导率,SiC 半导体晶 片也成为制造大尺寸、超高亮度白光和蓝光GaN LED(light emitting diode,发光二极管)和LD( laser diode, 激光二极管)的理想衬底材料, 成为光电行业的关键基础材料之一 [3]。近些年来，随着技术的发展，大规模生产高质量的SiC已经成为了现实。SiC纳米丝或晶须作为增强材料已经广泛应用于陶瓷、金属、聚合物基纳米复合材料领域[4]。

然而，任何材料经过使用后一定会产生裂纹，SiC也不例外，而在有裂纹的情况下，其性能能否继续支持进行正常工作就有待研究。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。

（2）国内外研究现状分析：

SiC 的基本结构单元是Si -C四面体, 属于密堆积结构.由单向堆积方式的不同产生各种不同的晶型, 业已发现约200种.密堆积有3种不同的位置, 记为 A, B , C.依赖于堆积顺序, SiC 键表现出立方闪锌矿或六方纤锌矿结构。 如堆积顺序为 ABC′ ABC…, 则得到立方闪锌矿结构, 记作 3c-SiC 或 β-SiC ( c = cubic)。这是唯一一种纯立方结构的晶型.若堆积顺序为 AB′ AB …,则得到纯六方结构, 记为2H-SiC(H = hexagonal)。其它多型体为以上两种堆积方式的混合.两种最常见的六方晶型是 4H 和 6H.其堆积 方式分别为 ABCB′ ABCB …和 ABCACB′ ABCACB …。此外, 尚发现有菱面体结构的 SiC(如 15R, 21R)存在, 它们也属于六方纤锌矿结构.在所有已发现的多型中,能稳定存 在的只有3c, 2H, 4H, 6H 和 15R.不同SiC多型体在 Si-C 双层密排面的晶格排列完全相同[5-8]。

分子动力学模拟作为计算机模拟的一种基本方法 , 在研究液态和非晶结构中起着重要的作用，它是联系物质微观信息和宏观性质的一种计算方法 , 对于液态和非晶态SiC的研究具有重要意义。通过分子动力学模拟SiC 的晶化过程，可以模拟可能出现的点缺陷等徽观结构性质，同时还可以对SiC力学性质等宏观性质作出合理的模拟[9-11]。基本模拟过程是在一定系统及已知分子势能函数条件下,从计算分子间作用力着手 ,求解牛顿运动方程,得到体系中各分子微观状态随时间的变化,再将粒子的位置和动量组成的微观状态对时间平均,即可求出体系的压力、能量、粘度等宏观性质以及组成粒子的空间分布等微观结构 [9]。

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等人研究了不同荷载（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[12]。Yang使用MD模拟了拉伸和压缩荷载下单晶Si的力学行为，对于SiC的拉伸研究有着参考意义[13]。Kikuchi等人研究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）[14]。Wang等人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[15]。 宗亮等人进行了用分子动力学方法研究了面心立方 SiC(β-SiC)、 对体系的拉伸断裂微观机理和5×10⁸/s，1×10⁹/s，1×10¹⁰/s三种应变速率下的力学行为进行了分析。发现当应变量达到某个临界值后，导致C元素掺杂会降低 SiC 的强度、弹性模量和拉伸断裂应变。此外还发现，应变速率不影响 β-SiC 单晶块体的杨氏模量，但影响其拉伸强度，即应变速率在5×10⁸/s～1×10⁹/s间，β-SiC 的临界应力大小变化不明显，但大于1×10¹⁰/s后其值迅速增大[16]。郭宗标等人用 Tersoff 势对SiC 在不同温度下初裂纹前缘沿[100]、[110]、[111]三个不同晶向的裂纹扩展进行了分子动力学模拟。 裂纹前缘方向为[100]、[111]晶向的初裂纹扩展模拟结果表明：裂纹扩展方式为脆性解理断裂,低应力下裂纹尖端表面有无序带形成， 在保证裂纹张开力作用下，裂纹尖端存在尖锐—钝化—尖锐的扩展过程。裂纹前缘方向为[110] 晶向的初裂纹扩展模拟结果表明：裂纹出现明显“取向效应” ，裂纹传播方向脱离了原有晶向(约60度)而选择沿其它晶向传播,裂纹扩展比较容易，裂纹断裂面几乎是完美的平面[17]。

对于带有初始裂纹的SiC的力学性能的研究还比较少。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。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：

(1)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）。