石墨-金刚石相变机理的分子动力学研究

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由于金刚石具有卓越的高导热性、高硬度和耐磨性,是工业制造中不可或缺的优质材料,而天然金刚石资源匮乏并且获取困难,因此,人工合成金刚石成为热点课题。石墨作为金刚石的同素异构体,在自然中大量存在。自从人们发现石墨可以转化成金刚石,石墨-金刚石相变及形核的机理就引起人们的研究兴趣。目前,石墨-金刚石的相变路径,即晶体位向关系已经被广泛讨论,但相变机理仍然不甚清晰。从晶体形核动力学来说,加入缺陷会使直接相变能垒降低,进而促进相变过程,但考虑到石墨和金刚石的结构特性,缺陷对金刚石形核-长大型相变的影响并不能一言蔽之。因此,本文计算并讨论了其中缺陷影响的不同。石墨的独特片层结构,使得缺陷在石墨中有着不同的特点。例如,边缘位错在晶体内部不会造成点阵畸变,而棱柱型边缘位错会造成大范围的点阵畸变。石墨中的点缺陷的位置可分为层内和层间。例如,层内的空位和层间的异质原子。除了点缺陷外,石墨还存在位错和晶界,它们之间可以相互转化。石墨到金刚石的相变路径的研究,根据能量最小化原则,大致总结了三种,其一,菱形石墨通过层内原子的“椅子型”位移,相变为立方金刚石(CD),其二,六方石墨通过层间滑移,改变其堆垛方式为类AA堆垛,并且层内原子经过“船型”相变路径,相变为六方金刚石(HD)。其三,六方石墨层间滑移成AA堆垛,层内原子经过“异型椅子型”位移,形成六方金刚石。本文采用分子动力学模拟方法,讨论了石墨-金刚石切变型相变的三种路径,其中“异型椅子型”相变路径不被分子动力学支持。分析了石墨-金刚石形核长大型相变的过程中,石墨缺陷对金刚石沿“椅子型”和“船型”路径形核的影响。结论为:位错对金刚石形核-长大型相变的促进作用随着长度增加而增加,位错的强度增加会抑制金刚石的形核-长大型相变。因此,位错的长度与伯氏矢量彼此相互作用后,表现出对六方金刚石相变的促进作用,而对立方金刚石相变的影响则随着伯氏矢量的增加而先促进后抑制。随着晶界角度的增大,晶界均会抑制两种金刚石沿各自路径的相变及形核,并且该抑制作用受到外压力的影响。
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