摘 要：本文基于束搜尋算法對(duì)復(fù)合材料中石墨烯與鈦的界面力學(xué)性能進(jìn)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。孔穴位堆垛界面（Ti 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(xué)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(jià)鍵的貢獻(xiàn)更大。

關(guān)鍵詞：束搜尋算法；復(fù)合材料；界面力學(xué)性能

1.引言

連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料（SiCf/Ti）具有高的比強(qiáng)度和比模量、優(yōu)良的高溫力學(xué)性能。相比于普通鈦合金，SiCf/Ti復(fù)合材料具有更高的力學(xué)性能，更好的高溫性能，可用于航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)。開(kāi)展SiCf/Ti的研究對(duì)推動(dòng)我國(guó)航空航天工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。從復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，基體與纖維增強(qiáng)體之間的界面對(duì)復(fù)合材料的整體性質(zhì)具有決定性影響。因此，有必要對(duì)SiC/Ti界面進(jìn)行深入研究。目前已經(jīng)有許多關(guān)于SiC/Ti界面的實(shí)驗(yàn)研究，一般地，SiCf/Ti復(fù)合材料的制備及其服役過(guò)程均需要暴露于高溫環(huán)境下，此時(shí)，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(huì)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(gè)最為主要的組分。為了更深入地了解β-SiCf/α-Ti基復(fù)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(kāi)展β-SiC/α-Ti界面的研究。

2.實(shí)證分析

2.1 粘附功

對(duì)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(gè)自由表面時(shí)，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(jì)算Wad，第一種是前文提到的 UBER 方法：對(duì)于每種界面模型，取一系列不同的界面間距（d0），分別計(jì)算Wad，從而得到Wad-d0曲線（如圖4所示），該曲線的峰值對(duì)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(jìn)一步理解 β-SiC（111）/α-Ti（0001）界面中的成鍵本質(zhì)，對(duì)價(jià)電子分波態(tài)密度圖進(jìn)行了分析。因?yàn)?Ti 原子傾斜方向?qū)τ诮缑骐娮踊プ饔玫挠绊懛浅Ｐ?，所以僅對(duì)最為穩(wěn)定的孔穴位堆垛界面（Case IV）的分波態(tài)密度圖進(jìn)行了討論。為了保證態(tài)密度計(jì)算的準(zhǔn)確性，在 PDOS 計(jì)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(fèi)米能級(jí)附近的電荷消散也更為明顯。第二層 Si 原子的 DOS 也在費(fèi)米能級(jí)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(duì)間的雜化要比 Ti-Si 原子對(duì)間的雜化更強(qiáng)，亦即界面結(jié)合主要來(lái)源于 Ti-C 互作用而非 Ti-Si 互作用，這也與前述 Ti-C 原子對(duì)具有更多共價(jià)鍵特征的結(jié)論相一致。亦可由此合理推測(cè)：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(jiàn)，隨著原子層數(shù)由遠(yuǎn)及近地接近界面，其費(fèi)米能級(jí)附近的價(jià)電荷轉(zhuǎn)移也更為明顯。例如，第一層和第二層 Ti 原子的價(jià)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(diǎn)。這表明界面結(jié)合強(qiáng)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(shuō)來(lái)，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(lái)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(shuō)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(jià)鍵，這也說(shuō)明該界面處更易于形成 TiC 新相。

綜上所述，對(duì)于碳封端的 β-SiC（111）/α-Ti（0001）界面，孔穴位堆垛的界面是動(dòng)力學(xué)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(jià)作用，尤其是Ti-C 共價(jià)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(fù)雜，其中 Ti C 是一個(gè)最基本和最主要的組分，此外，Si C 纖維常常預(yù)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(jì)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(duì)六種不同的 β-Si C（111）/α-Ti（0001）界面模型進(jìn)行了研究，分別對(duì)六種界面模型進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)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(duì)于充分弛豫優(yōu)化后模型的粘附功和界面距離的計(jì)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(qiáng)，并在三種堆垛位置中是熱力學(xué)最穩(wěn)定構(gòu)型。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

毛偉，湖南人文科技學(xué)院 能源與機(jī)電工程學(xué)院。