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。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种定量检测硬质合金基底上金刚石涂层膜基界面结合强度的测试技术，特别是一种采用分子动力学方法测量金刚石涂层膜基界面结合强度的测试技术，属于机械表面效应与表面技术领域。

背景技术

金刚石因具有高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数、和化学稳定性好等优异性能而成为理想的工具材料，在金刚石涂层切削刀具领域得到了广泛的应用，但目前仍未实现规模化生产。其主要原因之一是：关于金刚石涂层内在质量（主要是力学性能）尤其是对膜基界面结合强度评价缺乏统一标准。已有技术中，包括压痕测试法、垂直拉伸法和刮剥式测量法等。其中压痕测试法是一种应用最广、操作简单、结果较为直观的定性测量方法，它把一个硬压头（一般为天然金刚石单晶压头）以一已知的负载压入材料中，然后再测量由此在材料中残留的压痕面积或深度，压头的压入会产生一个半球状塑性区，把材料向外挤出并在涂层的周围产生压应力，假如涂层将会发生起泡、剥离及从基体向上弯曲等现象，则这些压应力能够得到释放，该方法只能定性地比较涂层附着力的大小。而垂直拉伸法则可以较直观地给出化学气相沉积（CVD）金刚石涂层的附着力，它采用一对拉伸杆分别同心地与金刚石涂层表面及基体背面用环氧树脂粘结牢固，测量用来拉离粘贴在基体上涂层所需的应力以确定金刚石涂层附着力的一种方法，测试的结果受所加应力的角度变化和粘结胶的厚度影响大，而且，测试的范围也受粘结胶的粘结强度所限制。刮剥式测量法则是使用特制的刮剥刀具，以与刮削相类似的加载方式将涂层沿涂层/基体界面从基体上剥离下来，并以剥离涂层过程中所消耗的能量作为涂层/基体间膜基界面结合强度量度的测量方法。由此可以看出，上述方法都是定性、间接地描述涂层的附着力，测试范围受膜基界面结合强度大小、基体形状等因素限制，相互之间缺乏可比性。因此，要使金刚石涂层材料真正应用到刀具领域并实现产业化生产，必须要有完善的对金刚石涂层膜基界面结合强度进行直接定量检测的技术来作保证。

上述研究方法都是建立在宏观尺度上的，可以对金刚石涂层膜基界面的力学性能给出定性或定量分析，由于膜基界面的作用机理非常复杂，如图2，包括微粒间的内嵌力，原子间的范德华力，此外，涂层厚度，界面温度，晶向等都会对金刚石涂层膜基界面结合强度造成影响，宏观研究方法很难精确测量金刚石涂层膜基界面结合强度。分子动力学方法能够在宏观和微观特性之间架起一座桥梁，被认为是本世纪以来除理论分析和实验观察之外的第三种科学手段，称之为“计算机实验”手段，以经典分子动力学理论为指导，以分子动力学仿真软件为平台，从微观上探究硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的力学性能以及疲劳损伤机理已成为一种可能，从而为我们构建金刚石涂层膜基界面结合强度预测模型奠定基础，为相关涂层工艺优化和产业化开发提供科学依据。

发明内容

为克服现有金刚石涂层膜基界面结合强度检测方法不能进行精确定量检测及受基体形状限制等诸多不足, 本发明提供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，该测量方法不仅能精确定量测定金刚石涂层的膜基界面结合强度，而且不受基体形状的限制，可方便地用于复杂形状基体金刚石涂层膜基界面结合强度测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用分子动力学理论及其仿真计算方法研究金刚石涂层膜基界面的力学性能，即通过构建金刚石涂层膜基界面三维模型、对模型膜基界面力学性能的分子动力学仿真、构建金刚石涂层膜基界面结合强度预测模型等实现对金刚石涂层膜基界面结合强度的精确测量与评价。具体步骤如下： 

(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)所得的模型导入分子动力学仿真软件Lammps前，需要对Materials Studio软件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软件分子动力学仿真计算的融合；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，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= ?(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= ?(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。

本发明中，Tersoff势函数适合描述C，Si等半导体材料中原子间的相互作用，其具体形式为：

                         

其中：                                   

其中, 为体系的总能量，为原子间的成键能量,和分别为对势的吸引项和排斥项，为光滑截断函数，为吸引势函数。

Morse势函数适用于描述合金体系中原值之间的相互作用，其具体形式为：           

其中， 表示Morse势的阱深，为控制阱深宽度的参数，为原子核间距，

L-J势函数对于描述界面材料原子间相互作用具有一定的优势，其具体形式为：

                                     

其中表示原子间相互作用的强度，表示原子的大小。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比，具有下列优点：

1.本发明将从微观角度分析金刚石涂层膜基界面的力学性能。现有技术只是从宏观尺度定性或定量分析金刚石涂层膜基界面结合强度，而硬质合金基底金刚石涂层膜基界面作用机理比较复杂，且裂纹的萌生和扩展都是在微观尺度上进行的，运用本发明可以对金刚石涂层膜基界面疲劳损伤机理进行深入分析，研究涂层厚度、温度、涂层沉积晶向等因素对金刚石涂层膜基界面力学性能的影响及其作用规律，从而指导我们建立金刚石涂层膜基界面结合强度预测模型，以此来精确测量金刚石涂层膜基界面结合强度。

2.本发明可以实现将建模功能强大的分子动力学软件Materials Studio与势函数丰富动力学计算功能强大的分子动力学软件Lammps有效兼容并进行有机结合，由此构建金刚石涂层膜基界面结合强度预测模型，为精确测量测定金刚石涂层膜基界面结合强度奠定了技术基础。Materials Studio是一款基于图像化操作界面的分子动力学仿真软件，虽然动力学仿真功能没Lammps强大，但其建模比较便捷，尤其是对复杂模型的构建方面表现出明显的优势。运用Materials Studio软件对硬质合金基底金刚石涂层进行三维建模，通过对模型的预处理，可实现Materials Studio与Lammps的融合建模，为后续计算奠定基础。

3.本发明在对金刚石涂层膜基界面分子动力学仿真计算过程中采用多种势函数。势函数是表征原子间相互作用的关键，金刚石涂层膜基界面作用机理比较复杂，单一势函数很难全面描述膜基界面原子间的相互作用，本发明采用混合势函数，其中金刚石涂层碳原子间采用适合晶体体系的Tersoff势函数，WC基底原子间采用适合合金体系的Morse势函数，涂层和基底之间采用适合界面的LJ势函数，通过上述势函数的混合运用可以更加准确全面地表征硬质合金基底金刚石涂层膜基界面原子间的相互作用。

本发明的有益效果是，可以精确定量测量金刚石涂层的膜基界面结合强度，并且测量范围不受基体形状及其结合强度大小的限制，具有显著的经济效益。

附图说明

图1是本发明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流程框图；

图2是本发明中硬质合金基底金刚石涂层膜基界面示意图；

图3是本发明中采用Materials Studio软件建立的金刚石涂层膜基界面三维模型；

图4是本发明中模型预处理后在Lammps环境中生成的金刚石膜基界面计算模型；

图5是本发明中对金刚石涂层膜基界面弛豫后模型；

图6是本发明中对金刚石涂层膜基界面加载后模型形貌；

图7是本是本发明中金刚石涂层膜基界面断裂时模型形貌；

图8是本发明中金刚石涂层膜基界面应力应变关系。

图中标号：1为金刚石涂层，2为WC，3为粘结相。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：一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。包括构建金刚石涂层膜基界面模型，膜基界面分子动力学仿真计算，构建金刚石涂层膜基界面结合强度预测模型，以此实现对金刚石涂层膜基界面结合强度的精确定量测量，如图1至图8所示，本发明的实施可按以下步骤进行：

第一步：首先构建金刚石涂层膜基界面模型。所述构建金刚石涂层膜基界面模型是指借助Materials Studio软件对金刚石涂层膜基界面进行分子动力学建模，在分子动力学仿真软件Materials Studio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，其中，金刚石为体心立方结构，晶格常数为a=b=c=3.567?，WC为简单六方堆积结构，晶格常数为a=b=2.900?，c=2.831?，根据所要建立模型的大小，将金刚石沿三维坐标系的X轴，Y轴和Z轴方向的晶胞个数设置为m，m，p，将WC沿三维坐标系的X轴，Y轴和Z轴方向的晶胞个数设置为n，n，q，分别生成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，如图3所示，基底为WC超晶胞，涂层为金刚石超晶胞。

第二步：紧接着对金刚石涂层膜基界面模型进行预处理。所述模型预处理是指对已构建的WC基底金刚石涂层膜基界面模型进行处理，实现Materials Studio建模与Lammps分子动力学仿真的有效兼容。采用Materials Studio软件中的discover模块对金刚石涂层膜基界面模型施加CVFF力场。力场加入后对模型进行文件导出，生成car格式文件，运用软件msi2lmp4将导出的car文件转化成Lammps可读的data文件。

第三步：随后进行硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的分子动力学仿真计算。所述分子动力学仿真计算是指运用Lammps软件对模型进行动力学计算。读取data文件后，在Lammps环境中生成图4所示的金刚石涂层膜基界面几何模型，对模型进行边界条件设置，使其沿三维坐标系的X轴，Y轴和Z轴方向均为周期性边界条件，这可以保持仿真体系中原子个数恒定且不造成表面效应。沿三维坐标系的Z轴方向对建好的模型进行区域划分，将顶层原子设置为up区域，底层原子设置为low区域，其余原子设置为mobile区域，并将up区域和low区域合并为boundary区域，以便更好地对相应的区域进行设置和动力学计算；设置钨的原子质量为183.85，碳的原子质量为12.01。 

金刚石涂层膜基界面作用机理非常复杂，单一的势函数很难准确的描述原子间相互作用关系，这里使用多种势函数相互耦合的表征方法，其中金刚石涂层碳原子之间采用Tersoff势函数表征其相互作用，WC原子间采用Morse势函数表征其相互作用，金刚石涂层和WC基底界面原子间采用LJ势函数表征其相互作用。

Tersoff势函数能够准确的描述共价键之间的相互作用，因此在晶体体系中广泛应用。Tersoff原子间相互作用势函数表示为：

                         

其中：                                   

其中, 为体系的总能量，为原子间的成键能量,和分别为对势的吸引项和排斥项，为光滑截断函数，为吸引势函数。

Morse势函数适用于描述合金体系中原值之间的相互作用，其具体形式如下：           

其中， 表示Morse势的阱深，为控制阱深宽度的参数，为原子核间距。

L-J势函数形式比较简单，对于描述界面材料原子间相互作用具有一定的优势。其具体形式为：

                                     

其中表示原子间相互作用的强度，表示原子的大小。

采用混合势函数可以更加准确、全面的表征金刚石涂层膜基界面体系原子之间的相互作用，从而保证仿真计算的可靠性。

势函数赋值后对体系进行NPT系综弛豫，弛豫温度设置为0.1K，弛豫后模型结构如图5所示，弛豫可有效降低金刚石涂层膜基界面的残余应力，弛豫过后，对金刚石涂层膜基界面进行拉伸加载，这里主要是对模型在Z轴方向进行应变加载，固定low边界区域，对up区域施加应变率为0.05?/ps的应变载荷，加载初期模型如图6所示，拉伸断裂后模型如图7所示。对金刚石涂层膜基界面拉伸方向的平均应力进行计算，并输出整个体系的原子运动轨迹，将其分别保存在log文件及dump文件中。

第四步：接着对仿真结果进行后续处理。虽然Lammps动力学仿真功能强大，但是其后处理功能比较薄弱，本发明借助Matlab软件对仿真结果进行数据处理，得到模型的应力应变曲线，如图8所示，取应力的峰值作为衡量膜基界面结合强度的指标，并采用VMD软件对仿真结果进行图像处理， VMD读入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，可以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，从而帮助我们分析金刚石涂层膜基界面的疲劳损伤机理。 

第五步：接着对数据处理结果进行整理、分析、归纳，找出涂层厚度、温度以及涂层晶向对膜基界面结合强度影响规律及作用机理，基于分析结果构建金刚石涂层膜基界面结合强度预测模型：S= ?(涂层厚度、温度、涂层晶向)。

第六步：最后对金刚石涂层膜基界面结合强度进行精确测量，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建立的模型S= ?(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，为涂层工艺优化和产业化开发提供科学依据。