[发明专利]一种基于分子动力学的金刚石涂层膜基界面结合强度测量方法

摘要

本发明公开了一种基于分子动力学的金刚石涂层膜基界面结合强度测量方法，该方法主要特点在于：借助分子动力学理论和仿真计算软件建立硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型并对膜基界面的力学性能进行仿真计算，基于仿真结果建立硬质合金基底金刚石涂层膜基界面结合强度预测模型，并通过该预测模型精确测量金刚石涂层膜基界面结合强度。从而克服了现有刮剥法、压痕法、鼓泡法等各种实验测试方法耗时长、测量精度不高等缺点，可为金刚石涂层工艺优化及产业化开发提供依据和基础，因而具有广阔的应用前景。

主权项

一种基于分子动力学的金刚石涂层膜基界面结合强度测量方法，其特征在于，包括下列步骤：（1）基于分子动力学仿真软件(Materials Studio)建立硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型，首先在建模环境中建立三维坐标系，以（0,0,0）为基点，分别建立金刚石单晶胞模型和WC单晶胞模型，设定金刚石晶体晶向，并根据所要建立模型的大小，将金刚石单晶胞沿三维坐标系的X轴，Y轴和Z轴方向扩充至m，m，p个，将WC单晶胞沿三维坐标系的X轴，Y轴和Z轴方向扩充至n，n，q个，分别构建金刚石超晶胞模型和WC超晶胞模型，采用Materials Studio软件中的layer指令，建立金刚石涂层膜基界面模型，基底为WC超晶胞，涂层为金刚石超晶胞；（2）在将步骤(1)所构建的模型导入分子动力学仿真软件Lammps前，需要对以上建立的硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型进行预处理，以实现Materials Studio软件建模与Lammps软件分子动力学计算的融合；在Materials Studio软件中基于discover模块对步骤(1)所得的金刚石涂层膜基界面模型施加CVFF力场，CVFF力场加入后对金刚石涂层膜基界面模型进行文件导出，生成car格式文件，借助msi2lmp4软件将导出的car文件转化成lammps可读的data文件；（3）基于分子动力学仿真软件Lammps对硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型进行分子动力学仿真计算，分子动力学仿真软件Lammps读取步骤(2)所得data文件后，在Lammps环境中生成金刚石涂层膜基界面几何模型，然后对金刚石涂层膜基界面几何模型设置边界条件，赋值碳和钨的原子质量；采用Tersoff势函数表征金刚石涂层碳原子之间相互作用、Morse势函数表征WC原子间相互作用，以及LJ势函数表征金刚石涂层和WC界面原子间相互作用，设定模拟温度后对模型进行NPT系综弛豫，接着对金刚石涂层膜基界面几何模型施加拉伸载荷，并输出金刚石涂层膜基界面模型的应力及原子坐标信息，分别保存在log文件及dump文件中；（4）基于Matlab软件对步骤(3)得到的仿真结果进行数据处理，得到模型的应力应变曲线，取应力的峰值作为衡量膜基界面结合强度的指标，采用VMD软件对仿真结果进行图像处理， VMD软件读入步骤(3)得到的dump文件，对金刚石涂层膜基界面仿真过程中的原子轨迹进行图像化显示，观察金刚石涂层膜基界面在拉伸载荷作用下裂纹源的产生，裂纹的发展以及最终膜基界面的断裂，以此分析金刚石涂层膜基界面的疲劳断裂机理，并得到金刚石涂层膜基界面在不同涂层厚度、温度、涂层沉积晶向时的结合强度；（5）基于以上得出的数据，分析涂层厚度、温度、涂层沉积晶向对金刚石涂层膜基界面结合强度的影响规律及作用机理，建立金刚石涂层膜基界面结合强度的预测模型S= ƒ(涂层厚度、温度、晶向)；（6）将待测量的硬质合金基底金刚石涂层的涂层厚度、温度以及晶向代入到步骤(5)建立的模型S= ƒ(涂层厚度、温度、晶向) 中，以此来精测测量金刚石涂层膜基界面结合强度。