Molecular Dynamics Modeling of Mechanical Properties of Nanocrystalline SiC

Abstract

Методом молекулярної динаміки з використанням потенціалу міжатомної взаємодії Tersoff досліджено вплив температури і розміру зерен на механічні властивості нанокристалічного карбіду кремнію. Середні розміри зерен модельованих зразків нанокристалічного SiC становили 2.5-5 нм, а кількість атомів у структурі досягала близько 105. Для досліджуваних структур розраховувались криві напруження-деформація в результаті моделювання одновісного розтягу зразків зі швидкістю деформації 10 – 4 пс – 1. Шляхом лінійної апроксимації початкової ділянки кривих напруження-деформація було розраховано пружні модулі для моно- і нанокристалічного карбіду кремнію. Проведено порівняння величини модуля Юнга для моно- і нанокристалічного SiC в інтервалі температур 300-3000 К. Результати розрахунку показують, що модуль Юнга нанокристалічних зразків суттєво змінюється з ростом температури, що пояснено суттєвою часткою атомів на границях зерен в нанокристалічному SiC. Встановлено, що з ростом температури вище 600 К відбувається перехід від крихкого до в’язкого руйнування нанокристалічних зразків. Крім того, показано, що зменшення модуля Юнга нанокристалічного карбіду кремнію з ростом температури має нелінійний характер. Виявлено, що при перевищенні температури понад 2000 K, пластичність нанокристалічного SiC різко збільшується. Вказаний ефект пов’язується зі зменшенням температури плавлення нанокристалічних зразків у порівнянні з монокристалом SiC. Показано, що вплив розміру зерен на модуль пружності нанокристалічного SiC має місце лише при високих температурах і розмірах зерен вище 3 нм, тоді як при кімнатній температурі пружні властивості не залежать від розмірів нанокристалів. Передбачається, що отримані результати з температурними та розмірними залежностями механічних характеристик нанокристалічного карбіду кремнію можуть бути використані про розробці наноструктурованих матеріалів на його основі для високоефективних конструкційних застосувань.

Molecular dynamics simulations using the Tersoff bond-order potential are employed to study the effects of temperature and grain size on mechanical properties of nanocrystalline silicon carbide. In this work, the simulated nanocrystalline SiC samples have a mean grain size varying from 2.5 to 5 nm and contain about 105 atoms in the model system. Tension tests with periodic boundary conditions and engineering strain rate of 10 – 4 ps – 1 are simulated, which result in the stress-strain curves of the single- and nanocrystalline SiC in terms of the average virial stress and true strain. The elastic moduli of the single- and nanocrystalline silicon carbide are determined from fitting the stress-strain curves. In this work, the Young’s modulus of nanocrystalline SiC is compared with those of the monocrystalline SiC for different temperatures in the range from 300 K to 3000 K. The numerical results show that the temperature has an obvious effect on Young's modulus, which is attributed to the large volume fraction of grain boundaries in nanocrystalline samples. With increasing temperature, the nanocrystalline SiC shows a brittle-to-ductile transition at temperatures above 600 K. In addition, the reduction in Young’s modulus of the nanocrystalline SiC with increasing temperature exhibits a nonlinear trend. It is found that the plasticity of the nanocrystalline SiC samples sharply increases at temperatures above 2000 K. This effect was explained by a decrease in the melting point of the nanocrystalline materials in comparison to monocrystalline solids. The grain size dependence of elastic modulus of nanocrystalline SiC only becomes distinct at high temperatures and at a grain size greater than about 3 nm, while at room temperature elastic properties are almost invariant with the change of grain size. We expect that the quantifications of temperature and grain size dependence of mechanical properties will have implications in the development of nanocrystalline silicon carbide nanostructured materials for high performance structural applications.