КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОКИНЕТИКИ ГОРЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ СВ-СИНТЕЗА ИНТЕРМЕТАЛЛИДОВ БИНАРНОЙ СИСТЕМЫ «НИКЕЛЬ- АЛЮМИНИЙ» МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ
Введение 5
ГЛАВА 1. Обзор методов и программных средств для моделирования процесса
СВ-синтеза интерметаллических фаз в бинарных системах 7
1.1. СВС-процессы: свойства, режимы горения, основные проблемы технологий 7
1.1.1. Моделирование СВС процесса на макроуровне. Уравнения
теплопроводности 12
1.1.2. Молекулярно-динамическое моделирование СВС процесса на микроуровне
14
1.2. Прикладные пакеты программ метода молекулярной динамики 16
1.2.1. AMBER 16
1.2.2. CHARMM 16
1.2.3. DL_POLY 17
1.2.4. GROMACS 18
1.2.5. LAMMPS 20
1.2.6. NAMD 20
1.3. Прикладные программы для визуализации моделируемых структур упаковок
частиц 21
1.3.1. VMD 21
1.3.2. TOPOND 22
1.3.3. Discovery Studio Visualization 22
1.3.4. PyMOL 23
1.3.5. OVITO 23
ГЛАВА 2. Методические основы применения программных пакетов LAMMPS и
OVITO для моделирования микрокинетики процесса СВС 24
2.1. Пакет классической молекулярной динамики LAMMPS 24
2.1.1. Основные функциональные возможности пакета LAMMPS 24
2.1.2. Создание конфигурационного файла в пакете LAMMPS 24
2.2. Основные функциональные возможности программного пакета визуализации и
анализа OVITO 27
2.3. Методика применения пакетов LAMMPS и OVITO для моделирования СВС-
процесса 29
2.3.1. Задание характеристик моделируемой области и инициализация начальной
структуры моделируемого образца 31
2.3.2. Процесс минимизации энергии образца 34
2.3.3. Релаксация исследуемого образца 36
2.3.4. Инициирование реакции 36
2.3.5. СВС-реакция 37
2.3.6. Расчет вспомогательных данных и параметры вывода 37
ГЛАВА 3. Анализ результатов вычислительных экспериментов по моделированию СВ-синтеза алюминидов никеля 39
3.1. Постановка задачи вычислительного эксперимента 39
3.2. Сравнение результатов вычислительного эксперимента для двух разновидностей потенциала межатомного взаимодействия 41
3.3. Используемые вычислительные ресурсы 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 48
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 49
ПРИЛОЖЕНИЕ 54
На сегодняшний день сложно назвать отрасль человеческой деятельности, которая бы не нуждалась в материалах повышенными эксплуатационными качествами. Так, например, материал для конструкции самолета должен обладать высокой прочностью и сохранять достаточно высокие механические свойства при высоких температурах [1]. Поэтому в настоящее время во многих странах ведутся исследования, направленные на получением и исследованием новых материалов.
Одним из способов получения новых материалов с повышенными эксплуатационными характеристиками является самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС). СВС - это экзотермический химический процесс типа горения, протекающий в автоволновом режиме в смесях порошков и приводящий к образованию полезных конденсированных продуктов, материалов и изделий [2]. В процессе СВ-синтеза используются реагенты в виде мелкодисперсных порошков, тонких пленок, жидкостей, газов и др. В спрессованном образце под воздействием теплового импульса происходит экзотермическая реакции горения в тонком слое взаимодействующих реагентов, которая самопроизвольно распространяется по образцу из-за теплопередачи от слоя к слою. Продукты СВС характеризуются разнообразием микро-, мезо- и макроструктур, которые во многом зависят от исходной структуры упаковки частиц реагирующей смеси и других параметров реакции (дисперсности реагентов, их начального количественного соотношения, тепловых потерь, начальной температуры и пористости смеси, степени разбавления и других факторов). На поведение фронта волны горения и на устойчивость его движения оказывает влияние неоднородное в некоторой степени случайное распределение исходных реагентов в структуре порошковой смеси, поэтому квазипериодически меняется температура, скорость и направление распространения волны горения. Задача анализа микрогетерогенной структуры волны горения (с наличием в структуре «микроочагов» горения) получила название «проблемы дискретности» СВС, и в большинстве случаев она решается экспериментальным путем потому, что выводы различных теоретических моделей о поведении волны горения на макроскопическом и/или микроскопическом уровне противоречат друг другу. Для исследования кинетики горения дисперснофазных систем и эволюции дискретного распада тепловой структуры волны СВС в локально неустойчивых режимах микрогетерогенного горения необходимо детальное изучение и уточнение физико-химических и математических модельных представлений о различных структурных и фазовых превращениях в процессе СВ- синтеза, что играет важную роль для оптимизации технологических режимов СВ- синтеза материалов с заданными функциональными и эксплуатационными свойствами.
СВС-процесс широко используется в технологии неорганических материалов: с его помощью получают порошки, компактные материалы и изделия, наносят покрытия и сваривают детали [3].
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез применяется для решения таких проблем современного материаловедения, как создание функционально-градиентных материалов [4], получение монокристаллов [5], разработка новых гравитационно-чувствительных процессов [6], проведение химических реакций в условиях микрогравитации а невесомости [7, 8], механохимическая обработка реагентов и продуктов [9], хемотермическая генерация электрических и магнитных полей [10].
Методики проведения экспериментов совершенствуются с каждым днем, однако для проведения эксперимента требуется использовать исходные расходные материалы, который зачастую стоят немалых денег и не могут быть использованы повторно. В следствии чего наряду с экспериментальной практикой используется компьютерное моделирование.
Компьютерное моделирование, в отличие от эксперимента, позволяет гибко настраивать параметры моделируемого эксперимента и быстро получать результаты. Однако, ограничивающем фактором является количество вычислительных ресурсов.
Целью данной работы является разработка метода компьютерного моделирования микрокинетики горения в процессе СВ-синтеза интерметаллидов бинарной системы Ni-Al.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить методы и программные средства молекулярного моделирования и выбрать наиболее подходящие.
2. Разработать методику моделирования процесса СВ-синтеза для интерметаллидов бинарной системы Ni-Al.
3. Провести серию вычислительных экспериментов.
4. Проанализировать результаты вычислительных экспериментов.
В ходе выполнения работы было рассмотрено два метода исследования СВС процессов: на макроуровне при помощи уравнений теплопроводности и на микроуровне с помощью метода классической молекулярной динамики. Для второго метода исследования СВС-процессов была разработана методика моделирования с использованием программного пакета классической молекулярной динамики LAMMPS.
В третьей главе приведены результаты вычислительных экспериментов СВС- процесса для слоистой структуры никель-алюминий с использованием двух разновидностей потенциала модели «погруженного атома», разработанного Мишиным и соавторами [53, 54]. Результаты моделирования были проанализированы с помощью встроенных средств программного пакета LAMMPS и пакета визуализации а анализа научных данных OVITO. Эти результаты неплохо коррелируют с физическим экспериментом описанным в [62].
Возможность распараллеливания вычислений существенно сокращает время вычислений, затрачиваемое как на один вычислительный эксперимент, так и на весь цикл вычислительных экспериментов, и повышает эффективность многомасштабного предсказательного моделирования СВС, позволяет корректно учитывать влияние процессов, происходящих на нано-, микро- и мезоуровнях структурной и функциональной иерархии гетерогенных систем, на процессы, происходящие на ее макроуровне и, тем самым, точнее предсказывать структуру и свойства целевых продуктов СВС.
Цель, поставленная в выпускной квалификационной работе, выполнена.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
