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晶粒尺寸对多晶碳化硅断裂的影响：基于分子动力学-近场动力学框架的多尺度分析

DOI：10.1016/j.commatsci.2018.12.038 期刊：Computational Materials Science 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:22:29
摘要： 一个能明确考虑晶界原子尺度描述的强健原子-介观尺度多尺度/多物理场计算建?？蚣鼙挥糜谘芯慷嗑Я⒎教蓟?3C-SiC)晶粒尺寸与断裂行为之间的相互作用。该框架的显著特点是建立了所选原子尺度方法（分子动力学MD）与介观尺度方法（近场动力学PD）之间的尺度匹配关系，从而既能模拟微观结构的影响，又能获得关于晶粒尺寸对3C-SiC力学响应作用的新认知。通过MD模拟获取了不同取向单晶和双晶的弹性模量、断裂韧性等材料性能参数，经适当统计分析后将MD推导性能与PD模拟对接，最终实现的介观尺度模拟能准确预测晶粒尺寸对多晶3C-SiC失效强度、断裂能、弹性模量、断裂韧性和拉伸韧性的影响。特别值得注意的是，断裂强度随晶粒尺寸变化遵循霍尔-佩奇定律，而I型断裂韧性随晶粒尺寸增大而提高，这与现有多晶材料脆性断裂文献结论一致。同样重要的是，该MD-PD多尺度/多物理场框架为建立能全面预测固态材料微观结构-性能-效能相互作用关系的材料建模范式迈出了重要一步。
作者： Sourav Gur，Mohammad Rafat Sadat，George N. Frantziskonis，Lianyang Zhang，Krishna Muralidharan，Stefan Bringuier
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

采用多尺度建?？蚣苎芯慷嗑Я⒎教蓟瑁?C-SiC）的晶粒尺寸与断裂之间的相互作用。

研究成果

MD-PD多尺度框架成功预测了多晶3C-SiC中断裂强度遵循霍尔-佩奇定律（随晶粒尺寸减?。鳬型断裂韧性随晶粒尺寸增大。该框架为连接原子尺度特性与介观尺度行为提供了可靠方法，有助于理解微观结构-性能关系，并为未来复杂材料研究奠定基础。

研究不足

该研究依赖于计算模型（分子动力学和键级势模型），可能无法完全捕捉现实中的所有复杂因素，例如电子效应或实验变异性。分子动力学中的Tersoff势未包含电子自由度。键级势模型假设脆性断裂，并采用简化的基于键的相互作用，这可能无法解释所有断裂机制。晶界类型和尺寸仅限于模拟范围内，外推至其他条件可能需要验证。

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