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微观结构对涂层阻尼性能影响的分子动力学研究

硬质涂层，分子动力学，阻尼机理，微观结构

微观结构对涂层阻尼性能影响的分子动力学研究

李国浩，倪岩松，万亿，杨斌，巴德纯，杜广煜*

（东北大学，辽宁沈阳，邮编110819）

*Email：gydu@mail.neu.edu.cn

随着航空产业的不断发展，航空发动机不断向高转速、高温、高压方向发展，在服役过程中由于关键部件（风扇、叶片、鼓筒等）的高振动应力引发的振动疲劳失效问题越来越突出，在不改变结构的基础上，采用表面涂层的方法能够有效抑制振动，进一步解决关键部件的振动疲劳问题。然而高阻尼材料的阻尼性能不仅仅取决于材料本身，其微观结构对其阻尼性能有着一定的影响规律。

材料宏观机械性能在很大程度上取决于材料的微观结构，本文从微观的角度深入探讨涂层中晶体结构，原子排列，缺陷结构等对阻尼性能的影响规律。通过模拟研究可以深入掌握原子运动规律对材料机械性能的影响。原子级模拟可以从微观观察微结构对阻尼性能的影响机制。

本文利用分子动力学的方法构建特定的微观结构（如空位、位错、微裂纹等）进行模拟研究。通过对模型系统进行周期性的循环应力可得到不同条件下的应力应变关系曲线。对比不同的总应变能W和损耗因子Q^-1结合不同涂层的结构探讨涂层的力学性能影响因素和阻尼产生的微观机理。模拟结果表明，应力作用下点缺陷附近出现位错运动，表面点缺陷扩展成微裂纹，部分动能转化为系统势能。由于位错脱钉及界面内摩擦的产生在加载卸载过程中每一周期的总能量会有一定的损失累计。通过对不同微观结构的涂层样品进行DMA测试，结果表明在应力作用下涂层的缺陷结构产生的内摩擦加剧，损耗因子增大。通过微观的角度研究结构对阻尼的影响为阻尼涂层的制备工艺和方法提供理论基础。

关键词：硬质涂层，分子动力学，阻尼机理，微观结构