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硅碳棒的动力学行为和高压特性研究

    硅碳棒凭借高比强度、高硬度和高熔点等特点在航空航天、国防军事等领域发挥了重要作用,碳和硅原子的键合形式及其多态性使之成为高压地球物理和星系研究的重要介质。因此,硅碳棒的动力学行为和高压特性研究具有重要的科学意义和工程价值。本文分别从实验、模拟与理论计算方面概述了以硅碳棒为代表的陶瓷和半导体材料的动态物理力学行为研究进展。
    综上表明,目前已初步形成了跨尺度的多样化研究,从SHPB实验、轻气炮驱动平板冲击实验、磁驱动实验到激光脉冲加载实验,对不同试样尺寸实现了较宽范围的应变率加载。与此对应,在不同的时间和空间尺度上,对硅碳棒的模拟研究也涉及基于连续介质的宏观尺度、基于原子模拟的微纳米尺度以及基于第一性原理的量子尺度的计算。通常情况下,连续介质模拟方法可全尺度比照SHPB实验和平板冲击实验,展现材料宏观特性,原子模拟方法如MD则可以匹配激光脉冲加载实验研究的时空分辨率,揭示微纳观尺度的变形行为。然而,当前的研究现状仍然存在以下主要问题。
    实验方面,受限于各时期材料工业制备及工艺水平的发展,材料存在不同程度的缺陷。样品微结构的多样性使实验数据具有较大的离散性。不同类型的动态实验覆盖了不同的应变率区间,不同研究方法下材料强度等实验结果的关联性及材料动力学行为跨时空尺度科学问题仍然缺乏深人探讨和分析。
    计算模拟方面,各种方法均有优缺点。基于连续介质的计算模拟依靠准确的动态本构和状态方程可实现全尺度模拟,但方程的诸多参数受限于特定实验而影响了其可预测性。基于原子计算的微纳观尺度模拟或基于量子的第一性原理计算可以直接得到多种关键的物理参量,揭示微纳米尺度的变形和破坏机理。但目前大规模MD模拟一方面需要基于可靠的原子间相互作用势,另一方面需要使用强大的计算资源,这也受到超级计算机发展的限制。同时,不同计算方法之间多尺度、跨尺度的藕合尚处于初步发展阶段,仍未形成统一认知。www.beritawan.com

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