学术报告

作者信息与发表期刊

该研究的主要作者包括Chenlu Fan, Li Zhang, Shushuai Liu*, Guan Wang和Liang Zou，分别来自中国山东大学电气工程学院和材料科学与工程学院。研究发表于期刊《Materials Today Communications》，文章编号为41 (2024) 110379，相关论文已于2024年9月11日在线发布。

学术背景与研究目的

该研究聚焦于电磁轨道发射系统中的抗烧蚀材料领域，旨在解决电磁轨道发射装置在运行过程中因电弧引发的材料严重烧蚀问题。电磁轨道发射技术是一种利用电磁推力将负载加速到超高速的发射技术，具有响应速度快、性能稳定、推力可控等优势。然而，由于发射装置在轨道与滑块接触面上会经历电弧热、焦耳热和摩擦热的共同作用，导致金属材料的烧蚀，从而影响装置寿命并可能导致发射失败。因此，研究改进材料抗烧蚀性能以提高发射效率成为关键科学问题。

在已有研究中，用于抗烧蚀材料的增强相包括碳基材料、金属和陶瓷材料，其中钛碳化物（TiC）粒子因具有高熔点、高硬度、高弹性模量和低密度等优点，被认为是理想的增强相。该研究以分子动力学模拟为手段，研究了TiC颗粒增强铝基复合涂层在不同电弧放电功率和不同TiC掺杂质量分数下的抗烧蚀性能及其微观机制。

详细研究设计与流程

1. 建模与模拟设计

研究组构建了一个基于LAMMPS（大规模分子模拟软件）的TiC增强铝基复合涂层与纯铝基材的弧烧蚀模拟模型，并使用表面高斯热源模型（Gaussian Heat Source Model）模拟电弧烧蚀效应。模型的设定包括：

• 6063铝合金被简化为纯铝，TiC粒子假定均匀分布于铝基体中。
• 基础单元为边长20 ų的铝基体，在中间镂空构造一个边长为4 Å的空腔，用以嵌入TiC粒子。基于此单元进行8×8×3复制，从而形成厚度为15 Å的复合涂层模型。
• 为考察不同TiC掺杂质量分数对烧蚀性能的影响，构建了质量分数分别为1%、3%、5%、10%的模型。

2. 模拟参数设定

模拟中采用混合势函数（EAM、2NN MEAM、Mores和ZBL）描述原子间相互作用，以精确反映复杂系统的行为。通过以下步骤对模型结构进行优化和模拟：

• 初始优化：采用共轭梯度法消除原子重叠，建立系统能量的平衡状态。
• 模拟区域划分：采用周期性边界条件消除边界效应，整个模拟区域 dimensions为160 Å×160 Å×60 Å。
• 表面加热设置：结合网格法与中心对称参数法筛选受热表面原子，并通过高斯热源设置实现电弧能量的输入。

3. 弧烧蚀实验流程

将热源半径从10 Å逐渐线性增加至40 Å，模拟电弧烧蚀过程（12 ps）及其后的125 ps弛豫过程。通过分子运动轨迹观察材料的变化，分析烧蚀坑形成机制、表面形貌演变以及材料的抗烧蚀性能。

主要研究结果

1. 烧蚀坑形成过程

在电弧作用下，材料表面温度、原子振动强度迅速升高，熔融区逐渐形成，出现深度和宽度较大的烧蚀坑。在弛豫阶段，部分熔融材料回流，形成环状突起和非晶化重固化层。结果表明，复合涂层可以有效减少烧蚀深度和表面突起。

2. 温度场与热传导分析

模拟显示，纯铝系统的高温区更广泛且导热速度较快，而TiC颗粒的引入降低了复合材料的导热性。研究推测，这一现象是由于TiC粒子与铝基体之间的热残余应力及其导致的晶粒细化效应共同作用所致。

3. 不同电弧放电功率的影响

电弧功率越高，材料的烧蚀深度和质量损失越大。低功率下，材料主要表现为原子蒸发现象；高功率则伴随蒸发与喷溅双重现象，显著增加质量损失。

4. 不同TiC掺杂质量分数的影响

模拟发现，抗烧蚀性能随TiC含量的增加先增强后减弱。含量为5 wt%的复合涂层抗烧蚀性能最佳。这可能因为TiC含量过高时，粒子聚集现象加剧，导致应力集中及材料强度下降。

5. TiC粒子形貌演变及其微观机制

在高电弧功率下，TiC颗粒表现出聚集倾向，分布状态更加无序，特别是在10 wt%掺杂比中颗粒团聚显著。这种聚集效应可能产生应力集中加速了材料损伤。此外，较稳定的TiC分布有助于抑制再结晶过程，进一步提高抗烧蚀性能。

结论

该研究通过分子动力学模拟揭示了弧烧蚀对材料结构的微观影响及TiC颗粒增强涂层的抗烧蚀机制。研究发现：TiC增强涂层可显著改善材料的抗烧蚀性能，其中5 wt%掺杂是最佳方案。该成果为基于金属陶瓷复合材料的轨道电磁发射装置设计提供了理论依据和技术支持，同时也拓展了TiC的应用领域。

研究亮点

• 创新性地构建了基于分子模拟的TiC增强铝基复合涂层模型。
• 提出了TiC掺杂最佳比例（5 wt%），为实际材料设计提供了科学依据。
• 研究揭示TiC粒子对晶粒细化、导热性降低及抗烧蚀性能提升的多重贡献。

意义与展望

研究成果对提高电磁轨道发射装置的效率与可靠性具有重要意义，同时还扩展了TiC基复合材料在航空航天和工业制造领域的实际应用潜力。未来，可着重研究TiC粒子的分布优化与复合材料制备工艺，以进一步提升其实际性能。