高超声速流中碳材料烧蚀的分子动力学模拟

摘要

高超声速环境下材料的烧蚀破坏问题是发展高超声速飞行器技术的关键问题。本文主要应用分子动力学方法对石墨受到高超声速氧分子流烧蚀过程进行了模拟研究。本文的主要工作有以下几个方面：
　　(1)运用基于ReaxFF力场势的分子动力学方法模拟了双层以及三层石墨与高超声速氧分子流的相互作用过程。石墨在高超声速氧分子流的持续冲击作用下，氧原子与表层石墨原子结合；可以观察到部分结合了氧原子的碳原子以CO2的形式从表层石墨解离，石墨出现缺陷，逐渐破坏。另外发现三层石墨的情况下表层石墨温度上升速度较慢。
　　(2)运用基于REBO势的分子动力学方法对多层石墨受高超声速氧分子流的烧蚀过程进行了模拟。对LAMMPS中只包含碳、氢原子的REBO势函数进行修改，加入氧原子。分析了石墨氧化对其等效面内刚度的影响。研究发现，多层石墨在受到高超声速氧分子流冲击烧蚀过程中出现逐层破坏的现象，且模拟随着层数的增多，石墨破坏的时间相对延后。研究了缺陷对双层石墨受高超声速氧分子流冲击烧蚀过程的影响，发现双空位缺陷加速了表层石墨升温破坏的过程，单空位缺陷的影响次之，而Stone-Wales型缺陷对烧蚀过程的影响可以忽略。氧原子以吸附的方式与石墨结合对其等效面内刚度基本没有影响，而在缺陷处与碳原子结合则降低了石墨的等效面内刚度。
　　(3)对研究石墨烧蚀问题时，分子动力学方法的可计算规模进行了探讨。运用基于REBO势的分子动力学方法采用单核计算对包含33516个碳原子，12000个氧原子的系统进行300ps的模拟，时间步长为1fs。总的计算机时约为10个小时，这相对于采用ReaxFF力场势所能计算的规模有了很大的提高。另外详细描述了表层石墨在受高超声速氧分子流冲击作用过程中从缺陷产生、缺陷扩展到破坏解体的阶段性现象，分析了模拟过程中表层石墨的温度和系统势能的变化。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1引言

1.2高超声速飞行器

1.3碳/碳复合材料

1.4石墨烧蚀研究现状

1.5本文主要研究工作及内容安排

1.6本文难点

第二章 分子动力学方法概述

2.1引言

2.2分子动力学简介

2.3势函数

2.4本章小结

第三章 基于ReaxFF力场模拟高超声速氧分子流中石墨的烧蚀

3.1引言

3.2双层石墨与氧分子流的相互作用

3.3三层石墨与氧分子流的相互作用

3.4本章小结

第四章 基于REBO势函数模拟高超声速氧分子流中石墨的烧蚀

4.1 引言

4.2多层石墨与氧分子流的相互作用

4.3 含缺陷双层石墨的烧蚀

4.4 氧化对石墨等效面内刚度的影响

4.5 本章小结

第五章 大尺度石墨在高超声速氧分子流中的烧蚀模拟

5.1 引言

5.2 分子动力学模拟过程

5.3 石墨表面形态演变以及温度、能量变化

5.4 计算规模

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1主要工作和成果

6.2不足与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文