محاسبه خواص مكانيكي و ترموديناميكي ساختار 3C كربيد سيليكون با استفاده از ديناميك مولكولي و نظريه تابعي چگالي

Mechanical and thermodynamic properties of 3C structure of silicon carbide using molecular dynamics and density functional theory methods

كربيد سيليكون به خاطر خواص فوق‌العاده مكانيكي، فيزيكي، ترموديناميكي و شيميايي، يك سراميك بسيار جذاب براي اكثر صنايع است. در اين پژوهش خواص مكانيكي و ترموديناميكي ساختار C3 كربيد سيليكون با استفاده از شبيه‌سازي‌هاي ديناميك مولكولي و نظريه تابعي چگالي مبتني بر تقريب شيب تعميم يافته در دما و فشارهاي بالا محاسبه و جهت صحت با نتايج تجربي موجود مقايسه شده است. محاسبات ديناميك مولكولي با استفاده از پتانسيل هاي بين اتمي ترسوف و واشيشتا صورت گرفته است. نتايج شبيه سازي دلالت بر اين دارد كه هر دو پتانسيل قابليت بالايي در بهينه‌سازي ساختارهاي موردنظر دارند. خواص مكانيكي كربيد سيليكون شامل ضرايب كشساني، مدول حجمي، يانگ و برشي و ضريب پواسون در دما و فشار محيط و فشار و دماي بالا به ترتيب تا 50 گيگاپاسگال و 1000 كلوين با استفاده از پتانسيل ترسوف محاسبه شده كه نشان از هم‌خواني بسيار خوبي با مقادير تجربي دارند. خواص ترموديناميكي كربيد سيليكون از قبيل دماي ذوب، دماي ديباي، ظرفيت گرمايي ويژه در حجم و فشار ثابت، ضريب انبساط خطي، و ضريب رسانش گرمايي در فشار محيط و فشار بالا نيز با استفاده از ديناميك مولكولي و نظريه تابعي چگالي محاسبه شدند.

Silicon carbide (SiC) is an attractive ceramic for most industries due to its unique mechanical, physical, thermodynamical and chemical properties. In this research, the mechanical, and thermodynamical properties of 3C silicon carbide were estimated by molecular dynamics and density functional theory in high temperature and pressure. The results were compared and validated by valid theoretical and experimental results. The molecular dynamics calculations were carried out by Tersoff, and Vashishta interatomic potentials. The results indicated that both potentials the have high capability in optimizing SiC structure. The estimated mechanical properties of 3C silicon carbide including elastics constants, Bulk, Young, and Shear moduli and Poisson ratio in high temperature and pressure (50 GPa and 1000 K, respectively) which were calculated by Tersoff potential were in good agreement with experimental results. The thermodynamic properties including melting point, Debye temperature, specific heat capacities at constant volume and pressure, linear thermal expansion coefficient, and thermal conductivity in ambient and high pressure were calculated by molecular dynamic and functional theory.