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1、机械制造及其自动化专业优秀论文机械制造及其自动化专业优秀论文 AlOAlO基纳米陶瓷刀具材基纳米陶瓷刀具材料纳观模拟研究料纳观模拟研究关键词：氧化铝关键词：氧化铝 纳米陶瓷刀具纳米陶瓷刀具 烧结工艺烧结工艺 力学性能力学性能 模拟仿真模拟仿真摘要：陶瓷刀具由于其较高的硬度和耐磨性、较好的高温力学性能和化学稳定 性，被广泛地应用于高速切削加工领域。然而，传统陶瓷刀具的研制方法效率 低，研发成本高。利用计算机模拟仿真技术，对陶瓷刀具的烧结制备过程进行 模拟，对刀具的性能进行预测，优化烧结工艺，节约研发成本，缩短研发周期。本文总结了计算机材料模拟仿真技术的发展现状及模拟方法，对纳观尺度范 围内模拟方
2、法的基本原理进行了介绍。以 Al2O3 基纳米陶瓷刀具的烧结制备过 程为研究对象，利用计算机模拟仿真技术，在 MaterialStudio 材料模拟计算软 件平台上，基于量子力学和分子动力学模拟计算理论，在纳观尺度下（1 至 100 纳米）进行了模拟计算，并对模拟结果进行了探讨。 建立了单元系 Al2O3 陶 瓷材料的三维模拟计算模型，并分别在 300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K 等不同温度下进行了分子动力学模 拟计算。结果表明，随温度的上升，体系中的原子自扩散系数表现出先上升后 下降的特征，其中 O 原子的活性大于 A1 原子。原子自扩散系数的峰值出现在 100
3、0K 附近，说明此时体系的烧结速度最快，并且原子的扩散机制在 1000K 附 近发生了改变，初步分析是原子的扩散机制由表面扩散转变成了体积扩散。 建立了 -Al2O3 体系置换掺杂 Si 原子的三维模拟计算模型，并分别在 300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K 等不同温度下进行了分子动力学模 拟计算。结果表明，Si 原子的掺杂明显刺激了原体系中原子的活性，从而提高 了体系的烧结速度，其中对 O 原子活性的刺激尤为显著，而对 A1 原予的刺激相 对较弱。同时，O 原子的扩散系数随温度升高而增加，但 A1 原子扩散系数随温 度的变化趋势较单元系材料体系中 A1 原子扩散系
4、数随温度的变化趋势没有发生 明显变化，依然是在 1000K 左右出现峰值，说明 Si 原子的掺杂改变了 O 原子原 有的扩散机制，对 O 原子影响较大，而对 A1 原子则影响较小。 建立了 - Al2O3 体系间隙掺杂 SiC 分子的三维模拟计算模型，利用 CASTEP 量子力学计算 程序，对单元系 -Al2O3、-Al2O3 体系间隙掺杂 SiC 分子，以及 -Al2O3 体系存在空位时的材料力学性能进行了模拟计算，获得了各材料体系的弹性常 数、杨氏模量和泊松比。对于单元系 -Al2O3 材料体系，材料弹性常数、杨氏 模量和泊松比的模拟结果与实际值相近，误差在 10左右，说明采用量子力学 方
5、法对材料力学性能进行预测是可行的。对于含有原子空位的单元系 -Al2O3 材料体系，原子空位点缺陷的存在降低了体系的力学性能，空位率越大，体系 的力学性能越低，并且发现 O 原子空位对体系力学性能的影响大于 A1 原子空位。 对于掺杂了 SiC 的 -Al2O3 材料体系，SiC 的掺杂降低了体系的力学性能，并 且发现 SiC 与 Al2O3 之间可能存在着化学反应。正文内容正文内容陶瓷刀具由于其较高的硬度和耐磨性、较好的高温力学性能和化学稳定性， 被广泛地应用于高速切削加工领域。然而，传统陶瓷刀具的研制方法效率低， 研发成本高。利用计算机模拟仿真技术，对陶瓷刀具的烧结制备过程进行模拟， 对刀
6、具的性能进行预测，优化烧结工艺，节约研发成本，缩短研发周期。 本 文总结了计算机材料模拟仿真技术的发展现状及模拟方法，对纳观尺度范围内 模拟方法的基本原理进行了介绍。以 Al2O3 基纳米陶瓷刀具的烧结制备过程为 研究对象，利用计算机模拟仿真技术，在 MaterialStudio 材料模拟计算软件平 台上，基于量子力学和分子动力学模拟计算理论，在纳观尺度下（1 至 100 纳 米）进行了模拟计算，并对模拟结果进行了探讨。 建立了单元系 Al2O3 陶瓷 材料的三维模拟计算模型，并分别在 300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K 等不同温度下进行了分子动力学模 拟计算。结
7、果表明，随温度的上升，体系中的原子自扩散系数表现出先上升后 下降的特征，其中 O 原子的活性大于 A1 原子。原子自扩散系数的峰值出现在 1000K 附近，说明此时体系的烧结速度最快，并且原子的扩散机制在 1000K 附 近发生了改变，初步分析是原子的扩散机制由表面扩散转变成了体积扩散。 建立了 -Al2O3 体系置换掺杂 Si 原子的三维模拟计算模型，并分别在 300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K 等不同温度下进行了分子动力学模 拟计算。结果表明，Si 原子的掺杂明显刺激了原体系中原子的活性，从而提高 了体系的烧结速度，其中对 O 原子活性的刺激尤为显著，而对 A
8、1 原予的刺激相 对较弱。同时，O 原子的扩散系数随温度升高而增加，但 A1 原子扩散系数随温 度的变化趋势较单元系材料体系中 A1 原子扩散系数随温度的变化趋势没有发生 明显变化，依然是在 1000K 左右出现峰值，说明 Si 原子的掺杂改变了 O 原子原 有的扩散机制，对 O 原子影响较大，而对 A1 原子则影响较小。 建立了 - Al2O3 体系间隙掺杂 SiC 分子的三维模拟计算模型，利用 CASTEP 量子力学计算 程序，对单元系 -Al2O3、-Al2O3 体系间隙掺杂 SiC 分子，以及 -Al2O3 体系存在空位时的材料力学性能进行了模拟计算，获得了各材料体系的弹性常 数、杨氏
9、模量和泊松比。对于单元系 -Al2O3 材料体系，材料弹性常数、杨氏 模量和泊松比的模拟结果与实际值相近，误差在 10左右，说明采用量子力学 方法对材料力学性能进行预测是可行的。对于含有原子空位的单元系 -Al2O3 材料体系，原子空位点缺陷的存在降低了体系的力学性能，空位率越大，体系 的力学性能越低，并且发现 O 原子空位对体系力学性能的影响大于 A1 原子空位。 对于掺杂了 SiC 的 -Al2O3 材料体系，SiC 的掺杂降低了体系的力学性能，并 且发现 SiC 与 Al2O3 之间可能存在着化学反应。 陶瓷刀具由于其较高的硬度和耐磨性、较好的高温力学性能和化学稳定性，被 广泛地应用于高
10、速切削加工领域。然而，传统陶瓷刀具的研制方法效率低，研 发成本高。利用计算机模拟仿真技术，对陶瓷刀具的烧结制备过程进行模拟， 对刀具的性能进行预测，优化烧结工艺，节约研发成本，缩短研发周期。 本 文总结了计算机材料模拟仿真技术的发展现状及模拟方法，对纳观尺度范围内 模拟方法的基本原理进行了介绍。以 Al2O3 基纳米陶瓷刀具的烧结制备过程为 研究对象，利用计算机模拟仿真技术，在 MaterialStudio 材料模拟计算软件平 台上，基于量子力学和分子动力学模拟计算理论，在纳观尺度下（1 至 100 纳 米）进行了模拟计算，并对模拟结果进行了探讨。 建立了单元系 Al2O3 陶瓷材料的三维模拟
11、计算模型，并分别在 300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K 等不同温度下进行了分子动力学模 拟计算。结果表明，随温度的上升，体系中的原子自扩散系数表现出先上升后 下降的特征，其中 O 原子的活性大于 A1 原子。原子自扩散系数的峰值出现在 1000K 附近，说明此时体系的烧结速度最快，并且原子的扩散机制在 1000K 附 近发生了改变，初步分析是原子的扩散机制由表面扩散转变成了体积扩散。 建立了 -Al2O3 体系置换掺杂 Si 原子的三维模拟计算模型，并分别在 300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K 等不同温度下进行了分子动力学模 拟计算。
12、结果表明，Si 原子的掺杂明显刺激了原体系中原子的活性，从而提高 了体系的烧结速度，其中对 O 原子活性的刺激尤为显著，而对 A1 原予的刺激相 对较弱。同时，O 原子的扩散系数随温度升高而增加，但 A1 原子扩散系数随温 度的变化趋势较单元系材料体系中 A1 原子扩散系数随温度的变化趋势没有发生 明显变化，依然是在 1000K 左右出现峰值，说明 Si 原子的掺杂改变了 O 原子原 有的扩散机制，对 O 原子影响较大，而对 A1 原子则影响较小。 建立了 - Al2O3 体系间隙掺杂 SiC 分子的三维模拟计算模型，利用 CASTEP 量子力学计算 程序，对单元系 -Al2O3、-Al2O3
13、 体系间隙掺杂 SiC 分子，以及 -Al2O3 体系存在空位时的材料力学性能进行了模拟计算，获得了各材料体系的弹性常 数、杨氏模量和泊松比。对于单元系 -Al2O3 材料体系，材料弹性常数、杨氏 模量和泊松比的模拟结果与实际值相近，误差在 10左右，说明采用量子力学 方法对材料力学性能进行预测是可行的。对于含有原子空位的单元系 -Al2O3 材料体系，原子空位点缺陷的存在降低了体系的力学性能，空位率越大，体系 的力学性能越低，并且发现 O 原子空位对体系力学性能的影响大于 A1 原子空位。 对于掺杂了 SiC 的 -Al2O3 材料体系，SiC 的掺杂降低了体系的力学性能，并 且发现 SiC
14、 与 Al2O3 之间可能存在着化学反应。 陶瓷刀具由于其较高的硬度和耐磨性、较好的高温力学性能和化学稳定性，被 广泛地应用于高速切削加工领域。然而，传统陶瓷刀具的研制方法效率低，研 发成本高。利用计算机模拟仿真技术，对陶瓷刀具的烧结制备过程进行模拟， 对刀具的性能进行预测，优化烧结工艺，节约研发成本，缩短研发周期。 本 文总结了计算机材料模拟仿真技术的发展现状及模拟方法，对纳观尺度范围内 模拟方法的基本原理进行了介绍。以 Al2O3 基纳米陶瓷刀具的烧结制备过程为 研究对象，利用计算机模拟仿真技术，在 MaterialStudio 材料模拟计算软件平 台上，基于量子力学和分子动力学模拟计算理
15、论，在纳观尺度下（1 至 100 纳 米）进行了模拟计算，并对模拟结果进行了探讨。 建立了单元系 Al2O3 陶瓷 材料的三维模拟计算模型，并分别在 300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K 等不同温度下进行了分子动力学模 拟计算。结果表明，随温度的上升，体系中的原子自扩散系数表现出先上升后 下降的特征，其中 O 原子的活性大于 A1 原子。原子自扩散系数的峰值出现在 1000K 附近，说明此时体系的烧结速度最快，并且原子的扩散机制在 1000K 附 近发生了改变，初步分析是原子的扩散机制由表面扩散转变成了体积扩散。 建立了 -Al2O3 体系置换掺杂 Si 原子的三维
16、模拟计算模型，并分别在 300K、573K、873K、1173K、1473K、1773K 等不同温度下进行了分子动力学模 拟计算。结果表明，Si 原子的掺杂明显刺激了原体系中原子的活性，从而提高 了体系的烧结速度，其中对 O 原子活性的刺激尤为显著，而对 A1 原予的刺激相 对较弱。同时，O 原子的扩散系数随温度升高而增加，但 A1 原子扩散系数随温度的变化趋势较单元系材料体系中 A1 原子扩散系数随温度的变化趋势没有发生 明显变化，依然是在 1000K 左右出现峰值，说明 Si 原子的掺杂改变了 O 原子原 有的扩散机制，对 O 原子影响较大，而对 A1 原子则影响较小。 建立了 - Al2O3 体系间隙掺杂 SiC 分子的三维模拟计算模型，利用 CASTEP 量子力学计算 程序，对单元系 -Al2O3、-Al2O3 体系间隙掺杂 SiC 分子，以及 -Al2O3 体系存在空位时的材料力学性能进行了模拟计算，获得了各材料体系的弹性常 数、杨
