氮化硅晶体结构稳定性分析开题报告

1. 研究目的与意义

氮化硅作为一种性能优异的陶瓷材料，具有密度低，硬度高,耐磨损，导热能力强等优异的物理性能以及抗氧化性，抗腐蚀性(尤其是除了 HF 外的无机酸)的高化学稳定性能。氮化硅陶瓷材料具有热稳定性高、抗氧化能力强以及产品尺寸精确度高等优良性能。由于氮化硅是键强高的共价化合物，并在空气中能形成氧化物保护膜，所以还具有良好的化学稳定性，1200℃以下不被氧化，1200~1600℃生成保护膜可防止进一步氧化，并且不被铝、铅、锡、银、黄铜、镍等很多种熔融金属或合金所浸润或腐蚀，但能被镁、镍铬合金、不锈钢等熔液所腐蚀。因此在机械、电子等众多领域占据了重要的地位。

目前关于氮化硅的研究已取得了丰硕的成果，文怀兴等人研究了氮化硅陶瓷轴承润滑技术，张传伟研究了以球磨法在氮化硅表面制备 MOS₂模，处理氮化硅陶瓷表面还有离子注入法、热喷涂法、激光刻蚀技术、溶胶-凝胶技术等。徐彬构建了β-Si₃N₄ 表面模型并对表面能进行计算，潘洪哲采用超软赝势的方法分析了 β- Si₃N₄ 的电子结构和光学性能，孙美在不同压力下比较了氮化硅多个结构的性能。本次采用Materials Studio软件中基于DTF的CASTEP模块对β-Si₃N₄进行建模和结构优化，采用模守恒平面波赝势方法对β-Si₃N₄模型的力学性质、动力学性质、热力学性质进行了计算和分析。

2. 课题关键问题和重难点

陶瓷发动机的开发研制是高温结构陶瓷研究的为主要目标及最重要的应用发动机的零、部件一般是在高温、高速运转等苛刻的工况条件下运作，普通的金属材料或高分子材料难以满足要求，即使高温对金使用温度也不能超过 10s0c，而且效率较低。而仅陶瓷发动机可提高工作温度 (1200~ 1650c)，改善和难发动机性能，提高燃烧效率，节约能源。

需要熟悉materials studio软件中的操作等。基于materials studio castep模块建立了氢化硅的晶体模型，来用模守恒廣势方法对si₃n₄,进行了结构优化。通过计算弹性常数和弹性模量，证明了si₃n₄的力学稳定性以及分析了材料对各方向抵抗弹性彩交的能力，通过声子道中无虚频证明了si₃n₄的动力学稳定性，分析了单个原子的声子态密度对声子总态容度的贡献，通过偷、焓、自由能和热容量等热力学参致分析si₃n₄的热力学性质。

3. 国内外研究现状（文献综述）

随着现代科学技术的发展，对新材料的研究和应用不断提出更高的要求，传统的金属材料越来越难以满足这种日益发展的要求，及待开发新型材料。至年来，研究工作者们进行了不懈的努力，在材料的制各工艺和性能万面取得了很大的进展。由于人们认识到陶瓷的潜在优势和金不可克服的弱点，工程陶瓷材料越来越受到世界上许多材料研究单位的高度重视，并取得了许多突破性;进展。随着科学技术发展迅速，原子能、火筋、燃气轮机等技术领域对材料提出了更高的要求，迫使人们去寻找比耐热合金更能承受高温，比普通陶瓷更能抵御化学腐蚀的材料四。si3n4 的出色表现，激起了人们对它的热情和兴趣。英、法的一些研究机构和大学率先开始对 si3n4 进行系统研究，深入认识它的结构性能、探索烧结方法、开拓应用领域。近些年米 sin4 陶瓷制品己经开始向产业化、实用化迈进了。日前人们通过广泛深入仔细的研究，发现陶瓷材料是最有希望在高科技领域中能得到广泛应用的候选材料。si3n4 陶瓷作为一种高温结构陶瓷，具有强度高、抗热震稳定性好、高温变小 ，耐磨、优良的抗氧化性和化学稳定性高等特点，是优良的工程陶瓷之一

随着现代科学技术的发展，对新材料的研究和应用不断提出更高的要求，传统的金属材料越来越难以满足这种日益发展的要求，及待开发新型材料。至年来，研究工作者们进行了不懈的努力，在材料的制各工艺和性能万面取得了很大的进展。由于人们认识到陶瓷的潜在优势和金不可克服的弱点，工程陶瓷材料越来越受到世界上许多材料研究单位的高度重视，并取得了许多突破性;进展。随着科学技术发展迅速，原子能、火筋、燃气轮机等技术领域对材料提出了更高的要求，迫使人们去寻找比耐热合金更能承受高温，比普通陶瓷更能抵御化学腐蚀的材料四。si₃n₄的出色表现，激起了人们对它的热情和兴趣。英、法的一些研究机构和大学率先开始对si₃n₄进行系统研究，深入认识它的结构性能、探索烧结方法、开拓应用领域。近些年米si₃n₄陶瓷制品己经开始向产业化、实用化迈进了。日前人们通过广泛深入仔细的研究，发现陶瓷材料是最有希望在高科技领域中能得到广泛应用的候选材料。si₃n₄陶瓷作为一种高温结构陶瓷，具有强度高、抗热震稳定性好、高温变小，耐磨、优良的抗氧化性和化学稳定性高等特点，是优良的工程陶瓷之一

4. 研究方案

基于materials studio castep模块建立了氮化硅的晶体模型，采用模守恒赝势方法对β- si₃n₄进行了结构优化。通过计算弹性常数和弹性模量，证明了β- si₃n₄的力学稳定性以及分析了材料对各方向抵抗弹性形变的能力，通过声子谱中无虚频证明了β- si₃n₄的动力学稳定性，分析了单个原子的声子态密度对声子总态密度的贡献，通过熵、焓自由能和热容量等热力学参数分析了β- si₃n₄的热力学性质。

materials studio软件中的castep模块对β- si₃n₄进行建模和优化，优化内容包括晶格参数和原子坐标。基于密度泛函理论的castep模块进行建模计算，分析了β- si₃n₄的力学性质、动力学性质、热力学性质。

5. 工作计划

第一阶段：学习materials studio的操作

第二阶段：查阅、收集相关文献资料。

第三阶段：翻译外文文献，完成开题报告。