[发明专利]一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法

说明书

本发明公开了一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法，包括以下步骤：步骤一：运用Material Studio建立初始模型，设置原子分组和电荷数；步骤二：运用lammps编写脚本，模拟二氧化硅的熔融过程；步骤三：设置模拟参数，模拟水氧在无定型二氧化硅中的扩散过程；步骤四：数据处理与分析；本发明方法可准确有效的计算水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数，为氧化动力学模型的建立奠定基础；本发明方法从微纳观尺度分析原子扩散过程，可清楚直观观测原子位置变化，手段新颖；本发明方法适用于不同环境下的模拟，克服试验研究条件苛刻、耗费巨大等缺点，更加经济安全。

技术领域

本发明属于扩散系数研究技术领域，特别涉及一种水蒸气和氧气在无定型二氧化硅中扩散系数的研究方法。

背景技术

连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC复合材料)具备高比强度、比刚度、耐高温、耐腐蚀、低密度等特性，能有效的实现热端部件的减重，是航空发动机热端部件重要的候选材料。航空发动机以航空煤油作为主要燃料，其主要成分为碳氢化合物(C_xH_y)。C_xH_y和来自压气机的外界气流燃烧后会产生大量的水蒸气(约10％)和碳氧化物。当SiC/SiC复合材料处于富含氧气(O₂)和水蒸气(H₂O)的高温(900～1300℃)环境中时，SiC基体和纤维会和环境中的O₂反应而生成无定型SiO₂，形成致密氧化膜，H₂O一方面会与SiO₂反应生成Si(OH)₄气体，使得SiO₂层厚度变薄。另一方面，H₂O会与O₂扩散进入SiO₂层与内部的SiC基体和纤维进行反应，从而导致其力学性能快速衰退，进而造成材料寿命的衰减。

扩散/界面协同控制理论表明，O₂和H₂O穿过SiO₂层到达SiO₂/SiC界面的扩散速率很大程度决定了内部SiC的氧化速率，故准确的模拟出O₂和H₂O在无定型SiO₂中的扩散速率对于建立材料的氧化动力学模型至关重要，其为进一步研究SiC/SiC复合材料在航空发动机服役环境下的力学性能奠定了坚实的理论基础。