氦氖激光陀螺铟封界面数值模拟及失效机理研究

摘要

He-Ne激光陀螺作为一种常用的惯性制导器件，在现代航空、航海、航天等国防事业领域应用广泛。电极与谐振腔的热压封接是He-Ne激光陀螺生产过程中的核心工艺之一，封接界面的失效会直接造成谐振腔内真空放电环境的改变，降低产品的有效寿命。文章基于分子动力学和第一性原理理论对阴极Al/In和阳极Cu/In界面进行数值模拟，研究了Al(001)/In(001)界面原子扩散以及屈服失效过程，分析界面的失效机理，旨在为进一步优化谐振腔与电极铟封工艺提供理论指导。主要研究内容如下:
　　1)基于第一性原理理论，对Al、Cu、In理想晶体进行结构优化，对优化后三种晶体各低指数表面模型的弛豫状态、表面能和表面态密度进行综合分析，结果表明Al(111)、Cu(111)、In(001)三个表面最稳定。
　　2)以稳定表面分别构建Al(111)/In(001)和Cu(111)/In(001)界面初始模型，通过对比优化后两种界面的界面能、吸附能和解离能数据，并进一步分析界面附近原子的弛豫状态，结果发现理想Cu(111)/In(001)界面比Al(111)/In(001)界面更加稳定，界面强度更高;界面的电子态密度分布显示Al/In和Cu/In原子电子态在一定能量区间出现重叠，界面电荷密度及差分电荷密度图显示界面处原子间形成共价键作用，其中Cu(111)/In(001)界面电荷转移程度更高。
　　3)基于2NN-MEAM原子作用势，采用经典分子动力学研究了不同工艺温度及压力下Al(111)/In(001)和Cu(111)/In(001)界面拉伸强度的变化规律，计算结果表明阴极封接最佳工艺参数为463K、4MPa，阳极封接最佳工艺参数为423K、5MPa，相同温度和压力下Cu(111)/In(001)界面拉伸强度高于Al(111)/In(001)界面。
　　4)对Al(001)/In(001)界面原子扩散以及拉伸失效过程进行分析，发现界面失效表现为界面层及铟层内部产生缺陷，进一步形成气体渗透通道，造成谐振腔内部真空环境发生改变。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 He-Ne激光陀螺电极铟封接系统

1．3 界面问题分子动力学研究现状

1．4 课题研究内容及意义

第二章 研究方法与理论基础

2．1 分子动力学理论形成与发展

2．2 经典分子动力学模拟方法

2．2．1 经典分子动力学方法基本原理

2．2．2 经典分子动力学模拟的基本步骤

2．2．3 势函数

2．2．4 边界条件

2．2．5 系综及系综控制算法

2．2．6 有限差分算法

2．2．7 微观结构表征参数的计算方法

2．3 第一性原理分子动力学简介

2．4 本章小结

第三章 Al、Cu、In块体及表面特性的研究

3．1 Al、Cu、In块体性质计算

3．1．1 计算参数及模型

3．1．2 计算结果及分析

3．2 Al、Cu、In表面性质计算

3．2．1 表面模型的建立

3．2．2 表面原子的弛豫

3．2．3 表面能的计算

3．2．4 表面态密度分析

3．3 本章小结

第四章 Al(Cu)／In界面性质第一性原理研究

4．1 Al(111)／In(001)、Cu(111)／In(001)界面模型的建立

4．2 Al(111)／In(001)、Cu(111)／In(001)界面优化结果讨论

4．2．1 界面结构界面能、吸附能、解离能计算

4．2．2 原子弛豫结果分析

4．2．3 界面电子结构与特性分析

4．3 本章小结

第五章 基于经典分子动力学的Al(Cu)／In界面研究

5．1 2NN MEAM势函数

5．2 输入模型

5．3 模拟过程

5．4 温度和压力对Al(111)／In(001)和Cu(111)／In(001)界面强度的影响

5．5 Al(001)／In(001)界面失效机理探究

5．5．1 扩散过程分析

5．5．2 失效过程分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况