ВВЕДЕНИЕ 4
1. ПРОГРАММНЫЕ ПАКЕТЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭВОЛЮЦИИ
АТОМНЫХ И МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 7
1.1 Описание метода молекулярной динамики 7
1.1.1 Основные положенияметода МД 7
1.1.2 Ограничения применимости метода МД 8
1.1.3 Базовые этапы молекулярно-динамического моделирования 9
1.1.4 Области применения метода МД 9
1.2 Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 10
1.3 Описание и особенности пакета LAMMPS 12
1.4 Описание пакета Ovito 16
1.5 Программный пакет XMD 20
1.6 Программный пакет NAMD 21
1.7 Возможности параллельных вычислений в программном пакете
LAMMPS 22
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ И ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ ДЛЯ
МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА СВС В НАНОРАЗМЕРНЫХ СЛОИСТЫХ СИСТЕМАХ Ti-Al 24
2.1 Описание свойств интерметаллидов системы Ti-Al и перспективы
их применения 24
2.2 Инструкции по запуску исполняемых файлов в пакете LAMMPS 27
2.3 Построение исходной атомной системы Ti-Al 29
2.4 Описание входного файла в LAMMPS 34
3. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО
ИССЛЕДОВАНИЮ МИКРОКИНЕТИКИ СВС В СИСТЕМЕ Ti-Al 41
3.1 Анализ температурных профилей СВС 42
3.2 Анализ графиков плотности продуктов СВС 43
3.3. Анализ фазообразования и структурообразования продуктов СВС 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 50
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 56
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 57
«Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС)» является одним из эффективных и современных методов получения функциональных материалов. Продукты СВС характеризуются множеством микро-, мезо и макроструктур, которые зависят от исходной структуры упаковки частиц реагирующей смеси и других параметров реакции, например, дисперсности реагентов, их исходного соотношения, начальной температуры, степени пористости и разбавления смеси и других факторов.
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) — экзотермический химический процесс типа горения, протекающий в автоволновом режиме в смесях порошков и приводящий к образованию полезных конденсированных продуктов, материалов и изделий. СВС представляет собой режим протекания экзотермической реакции, в котором тепловыделение локализовано в узком слое и передается от слоя к слою путём теплопередачи [1].
Свойства и режимы протекания СВС в макро-образцах определяются и формируются развитием процесса СВС на микро- и мезо-уровнях.
Экспериментальными методами затруднено исследование
микрокинетики СВС, поэтому методами компьютерного моделирования с использованием метода молекулярной динамики имеется возможность такого исследования. В этом состоит актуальность магистерской работы.
Экспериментальное исследование затратно по стоимости порошковых материалов и по времени получения результатов, а с компьютерным моделированием время исследования каждой системы можно сократить в десятки и более раз, а также избежать больших финансовых затрат.
С помощью компьютерного моделирования можно исследовать большее количество гетерогенных порошковых систем за счет сокращения временных затрат и вариантов установления их исходных параметров.
Изучение микрокинетики горения в процессе СВ-синтеза в модельных «слоистых» структурах осуществляется с помощью компьютерного молекулярно-динамического моделирования в программном пакете LAMMPS с использованием возможности параллельных вычислений [2].
Компьютерное моделирование дает возможность в рамках модели с высокой точностью контролировать характеристики исследуемого явления и изучать процессы, которые протекают, используя различные визуализаторы структуры. Выбор метода молекулярной динамики обусловлен тем, что он обладает наибольшей реалистичностью по сравнению с другими методами компьютерного моделирования (метод Монте-Карло, метод вариационной квазистатики) и больше всего подходит для исследования систем Ti-Al. Поэтому метод молекулярной динамики является наиболее эффективным методом для данного исследования.
В настоящее время методом молекулярной динамики исследуют процесс СВ-синтеза для систем Ti-Al [3-6] и другие системы [7-9]. Развитие потенциалов межатомного взаимодействия позволяют исследовать системы, которые раньше моделировали с ошибками. Новые потенциалы учитывают взаимодействие, которое ранее не было учтено.
Соединения в системе Ti-Al обладают:
• высокой температурой плавления;
• низкой плотностью;
• высокой стойкостью к окислению и возгоранию;
• высоким отношением прочность/плотность;
• высокой жаропрочностью...
В ходе научной практики был произведён поиск и анализ литературы. Были освоены базовые навыки работы с программными пакетами LAMMPS и OVITO. Была выбрана система Ti-Al для дальнейшего исследования, в связи с характеристиками соединений данной системы. Осуществлен базовый поиск интересующих характеристик для последующего моделирования микрокинетики горения в процессе СВ-синтеза интерметаллидов системы Ti-Al.
Для исследования использованы пакет LAMMPS, дополнительный пакет OVITO, авторами исследования были добавлены встроенные блоки кода для расчета температуры и плотности, которые более корректно позволяют распознать интерметаллические фазы (продукты СВС), их структуру и соотношение.
Определены условия стабильного горения для системы Ti-Al: начальная температура прогрева 800 К; Инициирование (зажигание) СВС производится разогревом начальной зоны образца (50нм) за 0.1нс при линейном нагреве от 800 до 1400 К.
Определена скорость движения фронта горения в данном стабильном режиме, которая приблизительно равна 19 м/с, что в тысячу раз больше скорости движения горения фронта в макрообразцах СВС (для макрокинетики СВС) так как удельная поверхность для наноразмерной системы примерно на 2-3 порядка выше удельной поверхности для пористых макрообразцов СВС. Реализованный в данной работе дополнительный инструмент исследования в виде рассчитываемых профилей плотностей СВС материала позволяет более корректно распознавать интерметаллические фазы и их соотношение. Использование режима параллельных вычислений, поддерживаемого пакетом LAMMPS при расчетах на МВС, позволило и позволяет в будущем существенно сократить общее время вычислительных экспериментов.
