多尺度模拟计算方法在超高温高熵陶瓷材料中的应用进展_鲁楠.pdf

宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期 综述 多尺度模拟计算方法在超高温高熵陶瓷材料中的应用进展鲁楠1 何鹏飞1 种晓宇2 胡振峰1 梁秀兵1（1 国防科技创新研究院，北京 100071）（2 昆明理工大学材料基因工程校重点实验室，昆明 650093）文摘 超高温高熵陶瓷材料以难熔金属碳化物、硼化物、氮化物等为组元，具有较高的硬度、高温强度以及良好的热稳定性，已成为超高温陶瓷领域研究的热点方向之一。与传统材料相比，超高温高熵陶瓷涉及复杂成分空间、多个尺度维度、极端多场耦合服役环境，采用传统经验试错法开发超高温高熵陶瓷效率过低，故而需要改变材料研究范式，依靠多尺度模拟计算方法提高超高温高熵陶瓷研发与应用效率。本文首先简要介绍了具有代表性的多尺度材料计算方法，进而综述了多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的典型应用成果，最后对多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的前景进行了展望。关键词 多尺度模拟计算方法，超高温高熵陶瓷材料，单相形成能力，弹性性能，热学性能中图分类号：TQ174.1 DOI：10.12044/j.issn.1007-2330.2023.01.001Application Progress of Multi-scale Simulation Method in Ultrahigh-temperature High Entropy Ceramic MaterialsLU Nan1 HE Pengfei1 CHONG Xiaoyu2 HU Zhenfeng1 LIANG Xiubing1（1 National Innovation Institute of Defense Technology，Beijing 100071）（2 Key Laboratory of Material Genetic Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093）AbstractUltrahigh-temperature high entropy ceramics are composed of refractory metal carbides，borides and nitrides，which exhibit high hardness，high temperature strength and good thermal stability.Ultrahigh-temperature high entropy ceramics become one of the hot research directions in the field of ultrahigh temperature ceramics.Compared with traditional materials，ultrahigh-temperature high entropy ceramics involve complex component space，multiple scale dimensions and extreme multi-field coupling service environment.The efficiency of developing ultrahigh-temperature high entropy ceramics by traditional trial and error method is poor.Therefore，it is necessary to change the material research paradigm and improve the developing and application efficiency of ultrahigh-temperature high entropy ceramics by relying on multi-scale simulation calculation method.The representative multi-scale material calculation methods is briefly introduced，and the typical application achievement of multi-scale materials calculation methods in the research of ultrahigh-temperature high entropy ceramics are summerized.Finally，the prospect of multi-scale material calculation methods in the research of ultrahigh temperature high entropy ceramics is prospected.Key words Multi-scale simulation calculation methods，Ultrahigh-temperature high entropy ceramics，Single-phase formation ability，Elastic properties，Thermal properties0 引言受高熵合金材料设计理念的启发，美国北卡罗来纳州立大学 STEFANO 团队1于 2015年首次成功制备出（Mg0.2Co0.2Ni0.2Zn0.2Cu0.2）O 氧化物高熵陶瓷，收稿日期：2022-08-16第一作者简介：鲁楠，1993年出生，博士，助理研究员，主要从事超高温高熵陶瓷材料研究工作。E-mail： 1宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期自此掀起了高熵陶瓷材料的研究热潮2。高熵陶瓷材料体系也由最初的氧化物扩展到碳化物、硼化物、氮化物、碳氮化物等多种材料体系3-8。而以难熔金属碳化物、硼化物超高温陶瓷为组元的超高温高熵陶瓷材料，由于其具有较高的熔点、优异的高温强度、良好的热稳定性以及较低的热膨胀系数等特性，在极端苛刻服役环境下展现着巨大的应用潜力，已成为高熵陶瓷领域研究的热点方向之一9-13。与传统材料相比，超高温高熵陶瓷材料研究往往涉及阳离子、阴离子、缺陷多组元复杂成分空间，涉及宏观、介观、微观、纳观多个尺寸维度，涉及极端热、力等多场耦合服役环境，研究工作更为复杂4-6，14。此外，捕捉超高温高熵陶瓷材料的微观结构细节、特征和服役性能特点需要大量的实验和数据作为支撑，表征测试手段也需要不断的创新15。因此，面对复杂成分空间的超高温高熵陶瓷材料，依赖科学直觉与经验试错的传统研究方法开发高性能超高温高熵陶瓷材料盲目性过大、研发与应用周期过长、效率过低15-16。近年来，随着计算机、大数据和人工智能技术的发展，以计算模拟、数据分析、机器预测等辅助手段为代表的材料计算研究方法初步形成，材料科学已逐步从经验科学走向理性科学15。材料集成计算通过建立物理模型引导材料成分及结构设计，依靠多尺度模拟计算预测材料设计对其性能和可靠性的影响，优化工艺模型以获得微观结构等制造工艺参数，最后通过数据分析处理实现材料的并行设计和快速开发16-25。因此，材料集成计算技术不仅能够大幅度减少超高温高熵陶瓷材料研发过程中重复性、试错性工作，也能够加速材料研究过程中的理论创新，从而加快超高温高熵陶瓷材料的研发与应用进程。本文首先简要介绍具有代表性的多尺度材料计算方法，进而综述多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的典型应用成果，最后对多尺度材料计算方法在超高温高熵陶瓷研究中的前景进行展望。1 多尺度材料计算方法多尺度材料计算方法是进行高通量建模、集成计算及数据处理分析的基础16，26。目前，比较有代表性的多尺度材料计算方法主要有第一性原理计算、分子动力学模拟、相图计算法、机器学习等。1.1 第 一 性 原 理 计 算（First-principles Calculations）第一性原理计算是从构成物质的原子角度，不依赖任何经验和半经验参数，通过求解薛定谔方程（Schrdinger equation），预测材料体系的电子结构、稳定性、总能量和各种物理、化学性质6，27。密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）是通过量子力学寻找电子、原子核与其运动之间关系的模拟计算方法，广泛应用于研究材料的物理化学性能28。目前，基于密度泛函理论的第一性原理计算是微观原子尺度材料计算学中最主要且最关键的方法之一，其理论基础就是多电子系统的定态薛定谔方程6，16，29-31：H?(r?,R?)=EH(r?,R?)（1）式中，H?为哈密顿量算符，为波函数，r?表示所有电子的坐标集合，R?表示所有原子核的坐标的集合。由于很难求解多电子系统的薛定谔方程的精确解，密度泛函理论通过绝热近似和单电子近似，把多电子系统的薛定谔方程转化为单电子有效势方程6，16，29-31：|-122+Veff(r?)|i(r?)=Eii(r?)（2）式中，Veff(r?)=V(r?)+dr?()r?-HF()r?,r?|r?-r?即将每个电子的运动行为描述成单个电子在一个有效势场Veff(r?)中的独立运动。有效势包含了原子核对电子的静电吸引作用、电子间的库伦相互作用和交换关联作用。其中，不确定项为电子间的库伦相互作用和交换关联作用。进一步基于Hohenberg-Kohn定理通过变分原理可得到Kohn-Sham方程6，29-31：-122+V(r?)+VH(r?)+VXC(r?)i(r?)=Eii(r?)（3）式中，第一个势能项V(r?)指一个电子与所有原子核之间的相互作用，第二个势能项VH(r?)称为Hatree势能，为一个电子与所有电子所产生的库伦排斥作用，第三个势能项VXC(r?)为交换关联势。在实际计算中Kohn-Sham方程是通过自洽迭代过程求解的，所以无法准确计算交换关联势。在基于密度泛函理论的第一性原理计算中，所有的近似都被归结到交换关联势这一项上，所以计算的精度直接由交换关联势泛函的近似形式决定。交换关联势 通 常 采 用 局 域 密 度 近 似（Local Density Approximation，LDA）和广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation，GGA）进行处理28。局域密度近似认为交换关联势只与局域的电子密度有关，形式简单。广义梯度近似则考虑了空间电子密度的不均匀性，在描述非均质系统的交换关联势更为准确。目前基于密度泛函理论进行第一性原理计算的软件非常多，比较常见的有基于赝势-平面波方法的Vienna Ab initio Simulation Package（VASP）、CASTEP、Quantum ESPRESSO、Abinit，基于数值原子轨道基组的SIESTA、ABACUS等27。针对超高温高熵陶瓷材料，基于密度泛函理论 2宇航材料工艺 http：/ 2023年 第1期的第一性原理计算可根据材料体系组成原子结构特征，近似处理体系中电子间的交换关联作用，不仅能够获得材料的电子态密度、晶格畸变等内部结构信息，而且能够预测材料的机械、热物理等性能15-16，筛选出具有目标性能的成分体系，提高超高温高熵陶瓷材料的研发效率。一般基于密度泛函理论的第一性原理计算程序的计算时间与材料系统的尺寸的三次方成正比。受限于计算机的处理能力，目前能够处理的材料体系相对较小15-16。1.2 分 子 动 力 学 模 拟（Molecular Dynamics Simulation）分子动力学模拟是在原子、分子水平上基于经典牛顿力学获得体系的热力学及其他宏观性能的计算模拟方法，已广泛应用于医药、化学、生物和材料等多个领域32-34。分子动力学模拟认为体系内的所有粒子均在其他粒子提供的势场中遵循牛顿运动方程随时间演化15-16。这种由粒子间相互作用构成