化学反応を考慮した超大規模1億原子シミュレーションによる材料破壊の学理構築

通过考虑化学反应的超大规模一亿原子模拟建立物质破坏理论

• 批准号: 19J21195
• 负责人: 陳 茜
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J21195/
• 关键词: 反応力場分子動力学; 鉄鋼材料; 超臨界水; 大規模計算; シミュレーション; 分子動力学; 金属の酸化

これまで化学反応を含む材料破壊のシミュレーション手法を、本年度さらに発展させ、材料加工分野に拡張した。Zr合金は優れた耐食性及び低熱膨張率を有するため、宇宙・航空及び化学工業分野の高温環境下における構造材料として使用されている。しかし、高温かつ水蒸気環境ではZr合金が酸化を起こし、大量のH2分子と熱を放出することによって致命的な破壊につながることが問題となっている。これに対して、Zr合金の酸化を防ぐために物理蒸着法(PVD)を用い、CrをZr合金の表面にコーティングする技術が活用されている。高い接合強度を求めるためには、Cr原子がZr基板に侵入することによってZr-Crが固溶する層の形成が望ましい。しかし、実験的には、原子レベルでのCr原子の侵入プロセスのその場観察は困難であることから、分子動力学シミュレーションの活用が有効である。そこで、反応力場に基づく分子動力学法に基づくPVDシミュレーションを可能とし、Zr基板上においてCrの運動エネルギーがCrの侵入プロセスに与える影響を検討した。Cr原子の運動エネルギーがそれぞれ10 eV、20 eV、30 eV、40 eV、50 eV、100 eVのシミュレーションを行なった。照射速度はCr原子の質量と運動エネルギーから算出した。シミュレーションの結果、Crの運動エネルギーが10 eVの時、CrはZr基板に侵入しないことがわかった。次に、Crの運動エネルギーが20 eVと30 eVの時、Cr原子はZr基板の表面から1層目に侵入した。さらにCrの運動エネルギーが40 eV、50 eV、100 eVの時、CrはそれぞれZr基板の2層目、3層目と5層目に侵入した。これより、運動エネルギーが20 eV以下では、CrはZr基板の内部に侵入しないため、接合強度を向上するには、20 eV以上の照射エネルギーが必要であることが明らかにされた。

到目前为止，我们已经进一步开发了用于材料骨折的仿真方法，包括化学反应，并扩展到材料加工领域。由于其出色的耐腐蚀性和低热膨胀系数，因此在空间，航空和化学工业的高温环境中，ZR合金被用作结构材料。但是，在高温和蒸汽环境中，ZR合金氧化并释放大量的H2分子和热量，导致致命的破坏。相比之下，正在利用一种技术来防止使用物理蒸气沉积（PVD）氧化ZR合金在ZR合金表面上涂覆CR。为了获得高粘结强度，希望形成一个通过穿透ZR底物的Cr原子溶解ZR-CR的层。但是，在实验上，很难观察到原子水平的CR原子进入的原位过程，因此使用分子动力学模拟是有效的。因此，我们使基于反作用力场的分子动力学方法进行PVD模拟成为可能，并研究了Cr的动能对Cr穿透过程对ZR底物的影响。分别用10 eV，20 eV，30 eV，40 eV，50 eV和100 eV的Cr原子的动能进行了模拟。辐照速率是根据CR原子的质量和动能计算得出的。模拟表明，当Cr的动能为10 eV时，CR不会穿透ZR底物。接下来，当Cr的动能为20和30 eV时，Cr原子从ZR底物的表面穿透了第一层。此外，当Cr的动能分别为40 eV，50 eV和100 eV时，CR分别入侵了ZR底物的第二，第三和第五层。这表明，当动能低于20 eV时，CR不会穿透ZR底物，并且为了提高粘结强度，则需要20 eV或更多的辐照能。

项目成果

Graphitization Dynamics of DLC under Water Lubrication Revealed by Molecular Dynamics Simulation

分子动力学模拟揭示水润滑下 DLC 的石墨化动力学

• DOI: 10.2477/jccj.2019-0001
• 发表时间: 2019
• 期刊: Journal of Computer Chemistry, Japan
• 作者: Jing ZHANG;Yang WANG;Qian CHEN;Yixin SU;Jingxiang XU;Yusuke OOTANI;Nobuki OZAWA;Koshi ADACHI;Momoji KUBO
• 通讯作者: Momoji KUBO

反応力場分子動力学法に基づくCr/Zrの界面構造の解明

基于反应力场分子动力学方法解析Cr/Zr界面结构

• 发表时间: 2022
• 作者: 陳茜;久保百司
• 通讯作者: 久保百司

Reactive Molecular Dynamics Simulations of Wear and Tribochemical Reactions of Diamond like Carbon Interfaces with Nanoscale Asperities under H2 Gas: Implications for Solid Lubricant Coatings

• DOI: 10.1021/acsanm.0c01775
• 发表时间: 2020-07-24
• 期刊: ACS APPLIED NANO MATERIALS
• 影响因子: 5.9
• 作者: Wang, Yang;Su, Yixin;Kubo, Momoji
• 通讯作者: Kubo, Momoji

Reactive Molecular Dynamics Simulations on Fracture and Degradation of Steels", the 5th EMN Meeting on Computation and Theory

钢断裂和降解的反应分子动力学模拟”，第五届EMN计算与理论会议

• 发表时间: 2019
• 作者: Qian Chen;Narumasa Miyazaki;Yusuke Ootani;Nobuki Ozawa;Momoji Kubo
• 通讯作者: Momoji Kubo

降伏前駆現象における純鉄の相転移に関する分子動力学シミュレーション

纯铁屈服前体现象相变的分子动力学模拟

• 发表时间: 2020
• 作者: Delfan Azari Milad;Yamada Shoichi;Morinaga Taiki;Nagakura Hiroki;Furusawa Shun;Harada Akira;Okawa Hirotada;Iwakami Wakana;Sumiyoshi Kohsuke;梶浦大起，松本眞，奥田隆幸;陳 茜，王 楊，大谷 優介，尾澤 伸樹，久保 百司
• 通讯作者: 陳 茜，王 楊，大谷 優介，尾澤 伸樹，久保 百司