摘 要：本文基于束搜寻算法对复合材料中石墨烯与钛的界面力学性能进行研究，本文考察了碳封端Si C（111）表面形成的六种 β-Si C（111）/α-Ti（0001）界面模型，其中考虑了三种界面原子堆垛位置（中心位、孔穴位、顶位）和两种 Ti 原子堆垛倾斜方向。孔穴位堆垛界面（Ti 原子堆垛于界面 C 原子的孔穴位置上）具有最大的粘附功和最小的界面能，也具有更大的界面断裂韧性，在热力学上更稳定。电子结构分析表明该界面的 C、Si 和 Ti 原子间形成了键合作用，且 C-Ti 共价键的贡献更大。

关键词：束搜寻算法；复合材料；界面力学性能

1.引言

连续SiC纤维增强钛基复合材料（SiCf/Ti）具有高的比强度和比模量、优良的高温力学性能。相比于普通钛合金，SiCf/Ti复合材料具有更高的力学性能，更好的高温性能，可用于航空航天发动机。开展SiCf/Ti的研究对推动我国航空航天工业的发展具有重要意义。从复合材料微观结构出发，基体与纤维增强体之间的界面对复合材料的整体性质具有决定性影响。因此，有必要对SiC/Ti界面进行深入研究。目前已经有许多关于SiC/Ti界面的实验研究，一般地，SiCf/Ti复合材料的制备及其服役过程均需要暴露于高温环境下，此时，SiC纤维与Ti（合金）基体之存在界面反应，在SiC和Ti之间的界面处会产生新的界面相，生成一定厚度的界面反应层，比如钛的碳化物和硅化物，其中TiC是一个最为主要的组分。为了更深入地了解β-SiCf/α-Ti基复合材料界面，有必要在形成界面化合物之前，研究β-SiC与α-Ti的直接接触面，即开展β-SiC/α-Ti界面的研究。

2.实证分析

2.1 粘附功

对于界面而言，粘附功Wad可以定义为分离α和β两凝聚相之间的界面，生成两个自由表面时，所需要的单位面积上的可逆功。本节中使用两种不同方法计算Wad，第一种是前文提到的 UBER 方法：对于每种界面模型，取一系列不同的界面间距（d0），分别计算Wad，从而得到Wad-d0曲线（如图4所示），该曲线的峰值对应着“最大”的粘附功和“最优”界面间距（列于表1 的 UBER 栏）。

2.2 电子结构

为了更进一步理解 β-SiC（111）/α-Ti（0001）界面中的成键本质，对价电子分波态密度图进行了分析。因为 Ti 原子倾斜方向对于界面电子互作用的影响非常小，所以仅对最为稳定的孔穴位堆垛界面（Case IV）的分波态密度图进行了讨论。为了保证态密度计算的准确性，在 PDOS 计算中，k-points 设置为 21×21×1。

第一层 C 原子的 DOS 表明其电子分布更为局域化，并且其费米能级附近的电荷消散也更为明显。第二层 Si 原子的 DOS 也在费米能级附近表现出一些非局域态，但其电荷消散更弱一些。因此，Ti-C 原子对间的杂化要比 Ti-Si 原子对间的杂化更强，亦即界面结合主要来源于 Ti-C 互作用而非 Ti-Si 互作用，这也与前述 Ti-C 原子对具有更多共价键特征的结论相一致。亦可由此合理推测：在该界面处，更倾向于生成 TiC 界面新相。

第三，比较不同原子层上相同元素的 DOS 曲线可见，随着原子层数由远及近地接近界面，其费米能级附近的价电荷转移也更为明显。例如，第一层和第二层 Ti 原子的价电荷转移要比其他 Ti 原子层更为明显，而 C 和 Si 原子也同样具有这一特点。这表明界面结合强度主要取决于界面附近的若干层原子间的互作用，特别是 Ti（0001）和 SiC（111）表面的第一层和第二层原子。具体说来，第一层Ti 原子的 DOS 从-5.0 eV 到+3.0 eV 范围内表现出较多的电子消散态，其转移电荷主要来自于 Ti-3d 和 Ti-3p，且其 DOS 相比于内部的体相 Ti 原子更为局域化。这说明界面原子互作用弱化了界面 Ti 原子的金属性，在界面处更易于形成 Ti-C共价键，这也说明该界面处更易于形成 TiC 新相。

综上所述，对于碳封端的 β-SiC（111）/α-Ti（0001）界面，孔穴位堆垛的界面是动力学上最优先且最稳定的堆垛方式，界面的原子结合主要是共价作用，尤其是Ti-C 共价键。此外，Ti 原子的倾斜方向对于界面电子结构或电子互作用的影响是极其有限的。

3.研究结论

Si C 与 Ti 基体的界面反应产物较为复杂，其中 Ti C 是一个最基本和最主要的组分，此外，Si C 纤维常常预制有碳涂层，因此，纤维与基体界面可以抽象为Si C/C/Ti C/Ti 界面体系。本文采用第一性原理密度泛函計算考察了体相 β-Si C 和 α-Ti、β-Si C（111）和α-Ti（0001）表面，以及二者间所形成的碳封端的界面。考虑到三种不同的界面原子堆垛位置（中心位，孔穴位，顶位）和两种不同的 Ti 原子的倾斜方向（Ti 原子的堆垛方式），共对六种不同的 β-Si C（111）/α-Ti（0001）界面模型进行了研究，分别对六种界面模型进行优化，计算并考察了最稳定原子构型、粘附功、界面能、界面断裂韧性、界面电子结构、界面稳定性和界面成键本质，结果表明，对于充分弛豫优化后模型的粘附功和界面距离的计算表明孔穴位堆垛的界面具有最大的粘附功和最小的界面距离，从而表明孔穴位堆垛界面结合力最强，并在三种堆垛位置中是热力学最稳定构型。

参考文献

[1]农作物残体制备的生物质炭对水中亚甲基蓝的吸附作用[J].徐仁扣，赵安珍，肖双成，袁金华.环境科学.2012（01）

作者简介

毛伟，湖南人文科技学院 能源与机电工程学院。