一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术属于陶瓷材料性能技术领域，提供了一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法及系统，分为模拟部分和应用部分，在模拟过程中，针对实验过程中，随着压力和温度的升高，氮化硅会发生从α相转变为β相的现象，利用模拟对相变的压力和温度进行计算，根据两相材料相变发生时，吉布斯自由能G相等的依据，找到交叉点，该点条件即为相变点；研究了两相材料随着压力和温度的升高以及相变的产生力学性能和热力学性能的变化情况。热力学性能的变化情况。热力学性能的变化情况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法及系统


[0001]本专利技术属于陶瓷材料性能
，尤其涉及一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]由于氮化硅材料具有高化学稳定性、耐高温、有抗热冲击能力、硬度高、机械性能好等特性。因此，在微电子工业、机械工业、汽车工业、太阳能电池、陶瓷切削加工工具等方面具有广泛的应用。
[0004]氮化硅陶瓷的优异性能对于高温、高速、强腐蚀介质的工作环境，具有特殊的使用价值。在常温常压下，有两种同质异相体，即α
‑
Si3N4和β
‑
Si3N4。在自然界中，α
‑
Si3N4存在于一种稀有矿物(亚硝酸盐类)和陨石中。在氮化硅基陶瓷材料如陶瓷刀具的烧结过程中，α相氮化硅会随着压力和温度的升高，相变到β相氮化硅。
[0005]现有技术对于上述材料的研究仍然局限于宏观或是微观分析，无法直接结合宏观和微观分析相变过程中结构、力学性能和热力学性能的变化的关系，因此无法确定最佳陶瓷材料的最佳烧结压力和温度，避免了盲目进行陶瓷材料的烧结。

技术实现思路

[0006]为了解决上述
技术介绍
中存在的至少一项技术问题，本专利技术提供一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法及系统，其利用分子模拟技术，从模拟的角度研究了压力和温度对α
‑
Si3N4到β
‑
Si3N4相变过程中结构、力学性能和热力学性能的变化。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术的第一个方面提供一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法，包括如下步骤：
[0009]包括如下步骤：
[0010]获取不同相氮化硅的晶格信息，分别构建对应相氮化硅的单体晶胞结构；
[0011]分别在不同压力条件下，对所有相氮化硅单体晶胞结构分别进行构象优化；
[0012]基于构象优化后的所有相氮化硅分别进行不同温度条件下的热力学计算和动力学计算；
[0013]对动力学计算后的所有相氮化硅分别进行热力学性能分析以及动力学性能分析；
[0014]基于热力学性能分析以及动力学性能分析结果，确定不同相氮化硅的相变的最佳烧结压力和温度，为指导陶瓷材料的烧结提供了理论依据。
[0015]本专利技术的第二个方面提供一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟系统，包括：
[0016]单体晶胞结构构建模块，被配置为：获取不同相氮化硅的晶格信息，分别构建对应相氮化硅的单体晶胞结构；
[0017]构象优化模块，被配置为：分别在不同压力条件下，对所有相氮化硅单体晶胞结构分别进行构象优化；
[0018]热力学及动力学计算模块，被配置为：基于构象优化后的所有相氮化硅分别进行不同温度条件下的热力学计算和动力学计算；
[0019]陶瓷烧结指导模块，被配置为：对动力学计算后的所有相氮化硅分别进行热力学性能分析以及动力学性能分析；
[0020]基于热力学性能分析以及动力学性能分析结果，确定不同相氮化硅的相变的最佳烧结压力和温度，为指导陶瓷材料的烧结提供了理论依据。
[0021]本专利技术的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
[0022]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法中的步骤。
[0023]本专利技术的第四个方面提供一种计算机设备。
[0024]一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法中的步骤。
[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0026]本专利技术分为模拟部分和应用部分，在模拟过程中，针对实验过程中，随着压力和温度的升高，氮化硅会发生从α相转变为β相的现象，利用模拟对相变的压力和温度进行计算，根据两相材料相变发生时，吉布斯自由能G相等的依据，找到交叉点，该点条件即为相变点；研究了两相材料随着压力和温度的升高以及相变的产生力学性能和热力学性能的变化情况。
[0027]在应用部分，通过两相材料随着压力和温度的升高以及相变的产生力学性能和热力学性能的变化情况，避免了盲目进行陶瓷材料的烧结，与在相同实验条件下制备氮化硅烧结实验相比节省了大量的人力和物力，实现了对氮化硅材料烧结过程中各项性能的预测，为实际氮化硅相变烧结提供了指导依据。
[0028]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0029]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0030]图1是本专利技术实施例一中氮化硅陶瓷相变模拟方法流程框图；
[0031]图2(a)
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图2(b)是本专利技术实施例一α相氮化硅和β相氮化硅的初始结构模型；
[0032]图3(a)
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图3(b)是本专利技术实施例一α相氮化硅和β相氮化硅的最终结构模型；
[0033]图4(a)
‑
图4(g)是本专利技术实施例一在压力为0MPa条件下不同温度条件下热力学性能分析结果；
[0034]图5(a)
‑
图5(b)是本专利技术实施例一在压力为0MPa条件下不同温度条件下力学性能分析结果；
[0035]图6(a)
‑
图6(g)是本专利技术实施例一在压力为16MPa条件下不同温度条件下热力学
性能分析结果；
[0036]图7(a)
‑
图7(b)是本专利技术实施例一中在压力为16MPa条件下不同温度条件下力学性能分析结果；
[0037]图8(a)
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图8(g)是本专利技术实施例一在压力为32MPa条件下不同温度条件下热力学性能分析结果；
[0038]图9(a)
‑
图9(b)是本专利技术实施例一中在压力为32MPa条件下不同温度条件下力学性能分析结果。
具体实施方式
[0039]下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。
[0040]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0041]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：获取不同相氮化硅的晶格信息，分别构建对应相氮化硅的单体晶胞结构；分别在不同压力条件下，对所有相氮化硅单体晶胞结构分别进行构象优化；基于构象优化后的所有相氮化硅分别进行不同温度条件下的热力学计算和动力学计算；对动力学计算后的所有相氮化硅分别进行热力学性能分析以及动力学性能分析；基于热力学性能分析以及动力学性能分析结果，确定不同相氮化硅的相变的最佳烧结压力和温度，为指导陶瓷材料的烧结提供了理论依据。2.如权利要求1所述的一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法，其特征在于，在不同压力条件下，对所有相氮化硅单体晶胞结构分别进行构象优化包括：在不同的压力下，选取模拟方法或软件，设置精度、交换关联泛函、相应的算法、布里渊区k点采样以及截断能，分别对α相氮化硅和β相氮化硅进行构象优化。3.如权利要求1所述的一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法，其特征在于，氮化硅的包括α相氮化硅和β相氮化硅。4.如权利要求3所述的一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法，其特征在于，所述热力学性能分析包括：分别从德拜温度、熵、焓和声子谱曲线进行分析，得到α相氮化硅和β相氮化硅的自由能，各压力下的自由能分别进行拟合，可得到相变点的压力和温度。5.如权利要求3所述的一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法，其特征在于，所述动力学性能分析包括：分析α相氮化硅在第一温度阈值至相变点的力学性能，β相氮化硅在相变点至第二温度阈值2073K的力学性能。6.如权利要求1所述的一种基于氮化硅陶瓷相变过程的性能模拟方法，其特征在于，所述进行不同温度条件下的热力学...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈照强，李琦，许崇海，肖光春，衣明东，陈辉，张静婕，史玉鑫，陈乃渲，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：