基于束搜尋算法的復合材料中石墨烯與鈦的界面力學性能研究

摘 要：本文基于束搜尋算法對復合材料中石墨烯與鈦的界面力學性能進行研究，本文考察了碳封端Si C（111）表面形成的六種 β-Si C（111）/α-Ti（0001）界面模型，其中考慮了三種界面原子堆垛位置（中心位、孔穴位、頂位）和兩種 Ti 原子堆垛傾斜方向?？籽ㄎ欢讯饨缑妫═i 原子堆垛于界面 C 原子的孔穴位置上）具有最大的粘附功和最小的界面能，也具有更大的界面斷裂韌性，在熱力學上更穩(wěn)定。電子結(jié)構(gòu)分析表明該界面的 C、Si 和 Ti 原子間形成了鍵合作用，且 C-Ti 共價鍵的貢獻更大。

關(guān)鍵詞：束搜尋算法；復合材料；界面力學性能

1.引言

連續(xù)SiC纖維增強鈦基復合材料（SiCf/Ti）具有高的比強度和比模量、優(yōu)良的高溫力學性能。相比于普通鈦合金，SiCf/Ti復合材料具有更高的力學性能，更好的高溫性能，可用于航空航天發(fā)動機。開展SiCf/Ti的研究對推動我國航空航天工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。從復合材料微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，基體與纖維增強體之間的界面對復合材料的整體性質(zhì)具有決定性影響。因此，有必要對SiC/Ti界面進行深入研究。目前已經(jīng)有許多關(guān)于SiC/Ti界面的實驗研究，一般地，SiCf/Ti復合材料的制備及其服役過程均需要暴露于高溫環(huán)境下，此時，SiC纖維與Ti（合金）基體之存在界面反應(yīng)，在SiC和Ti之間的界面處會產(chǎn)生新的界面相，生成一定厚度的界面反應(yīng)層，比如鈦的碳化物和硅化物，其中TiC是一個最為主要的組分。為了更深入地了解β-SiCf/α-Ti基復合材料界面，有必要在形成界面化合物之前，研究β-SiC與α-Ti的直接接觸面，即開展β-SiC/α-Ti界面的研究。

2.實證分析

2.1 粘附功

對于界面而言，粘附功Wad可以定義為分離α和β兩凝聚相之間的界面，生成兩個自由表面時，所需要的單位面積上的可逆功。本節(jié)中使用兩種不同方法計算Wad，第一種是前文提到的 UBER 方法：對于每種界面模型，取一系列不同的界面間距（d0），分別計算Wad，從而得到Wad-d0曲線（如圖4所示），該曲線的峰值對應(yīng)著“最大”的粘附功和“最優(yōu)”界面間距（列于表1 的 UBER 欄）。

2.2 電子結(jié)構(gòu)

為了更進一步理解 β-SiC（111）/α-Ti（0001）界面中的成鍵本質(zhì)，對價電子分波態(tài)密度圖進行了分析。因為 Ti 原子傾斜方向?qū)τ诮缑骐娮踊プ饔玫挠绊懛浅Ｐ。詢H對最為穩(wěn)定的孔穴位堆垛界面（Case IV）的分波態(tài)密度圖進行了討論。為了保證態(tài)密度計算的準確性，在 PDOS 計算中，k-points 設(shè)置為 21×21×1。

第一層 C 原子的 DOS 表明其電子分布更為局域化，并且其費米能級附近的電荷消散也更為明顯。第二層 Si 原子的 DOS 也在費米能級附近表現(xiàn)出一些非局域態(tài)，但其電荷消散更弱一些。因此，Ti-C 原子對間的雜化要比 Ti-Si 原子對間的雜化更強，亦即界面結(jié)合主要來源于 Ti-C 互作用而非 Ti-Si 互作用，這也與前述 Ti-C 原子對具有更多共價鍵特征的結(jié)論相一致。亦可由此合理推測：在該界面處，更傾向于生成 TiC 界面新相。

第三，比較不同原子層上相同元素的 DOS 曲線可見，隨著原子層數(shù)由遠及近地接近界面，其費米能級附近的價電荷轉(zhuǎn)移也更為明顯。例如，第一層和第二層 Ti 原子的價電荷轉(zhuǎn)移要比其他 Ti 原子層更為明顯，而 C 和 Si 原子也同樣具有這一特點。這表明界面結(jié)合強度主要取決于界面附近的若干層原子間的互作用，特別是 Ti（0001）和 SiC（111）表面的第一層和第二層原子。具體說來，第一層Ti 原子的 DOS 從-5.0 eV 到+3.0 eV 范圍內(nèi)表現(xiàn)出較多的電子消散態(tài)，其轉(zhuǎn)移電荷主要來自于 Ti-3d 和 Ti-3p，且其 DOS 相比于內(nèi)部的體相 Ti 原子更為局域化。這說明界面原子互作用弱化了界面 Ti 原子的金屬性，在界面處更易于形成 Ti-C共價鍵，這也說明該界面處更易于形成 TiC 新相。

綜上所述，對于碳封端的 β-SiC（111）/α-Ti（0001）界面，孔穴位堆垛的界面是動力學上最優(yōu)先且最穩(wěn)定的堆垛方式，界面的原子結(jié)合主要是共價作用，尤其是Ti-C 共價鍵。此外，Ti 原子的傾斜方向?qū)τ诮缑骐娮咏Y(jié)構(gòu)或電子互作用的影響是極其有限的。

3.研究結(jié)論

Si C 與 Ti 基體的界面反應(yīng)產(chǎn)物較為復雜，其中 Ti C 是一個最基本和最主要的組分，此外，Si C 纖維常常預制有碳涂層，因此，纖維與基體界面可以抽象為Si C/C/Ti C/Ti 界面體系。本文采用第一性原理密度泛函計算考察了體相 β-Si C 和 α-Ti、β-Si C（111）和α-Ti（0001）表面，以及二者間所形成的碳封端的界面。考慮到三種不同的界面原子堆垛位置（中心位，孔穴位，頂位）和兩種不同的 Ti 原子的傾斜方向（Ti 原子的堆垛方式），共對六種不同的 β-Si C（111）/α-Ti（0001）界面模型進行了研究，分別對六種界面模型進行優(yōu)化，計算并考察了最穩(wěn)定原子構(gòu)型、粘附功、界面能、界面斷裂韌性、界面電子結(jié)構(gòu)、界面穩(wěn)定性和界面成鍵本質(zhì)，結(jié)果表明，對于充分弛豫優(yōu)化后模型的粘附功和界面距離的計算表明孔穴位堆垛的界面具有最大的粘附功和最小的界面距離，從而表明孔穴位堆垛界面結(jié)合力最強，并在三種堆垛位置中是熱力學最穩(wěn)定構(gòu)型。

參考文獻

[1]農(nóng)作物殘體制備的生物質(zhì)炭對水中亞甲基藍的吸附作用[J].徐仁扣，趙安珍，肖雙成，袁金華.環(huán)境科學.2012（01）

作者簡介

毛偉，湖南人文科技學院 能源與機電工程學院。