一、基本情况 

学习交流地点：俄罗斯莫斯科物理技术学院 Ivan Kruglov 博士实验室 

学习交流时间：2019 年 5 月 30 日-6 月 19 日 

学习交流事宜：如何准确地模拟过渡金属碳/氮化物熔点及高温力学性能 

二、学习总结 

耐超高温材料是实现飞行器高速飞行的重要物质保证。近几十年以来，寻找能够在 3000 摄氏度以上高温环境中稳定服役的耐高温材料一直是材料学家和工程应用部门的共同目标。 

过渡金属（如 Hf、Ta、Nb 等）碳化物、硼化物、氮化物和氧化物陶瓷往往具有高熔点、高硬度、良好的高温力学性能、以及抗化学侵蚀等性能，可以直接用作耐超高温防护涂层，因此成为高速飞行器热防护系统的热门候选材料。 

由于过渡金属复杂的电子结构，过渡金属碳化物、氮化物及硼化物等往往具有非常丰富的化学成分和结构。如何理性评估这些材料在超高温领域的潜在应用价值已成为一种迫切需求。鉴于此，我们提出可以基于理论计算/模拟以及实验验证构建高温结构材料数据库。 

通过近三年的发展，该数据库已包含了所有二、三元过渡金属碳化物、氮化物及硼化物的基态结构及性质，亟需补充这些材料的熔点以及高温力学性质。本次赴俄罗斯莫斯科物理技术学院 Ivan Kruglov 博士实验室学习交流，旨在系统学习如何基于第一性原理分子动力学模拟材料熔点及高温力学性质，并探讨构建一种高通量计算框架自动为数据库补充材料的熔点及高温力学性质。 

本次学习交流的主要工作及结果如下： 

1）确定了第一性原理分子动力学模拟材料熔点的方法：固液两相法。相比于计算量稍小的 Z 方法，该方法的精度更高。经过我们的测试，相比于Z 方法，固液两相法模拟 ZrC、HfC、ZrN、HfN 等材料的熔点更接近实验熔点且误差均在 10%以内。 

2）确定了模拟材料高温力学性质的基本流程：第一，给定温度，通过计算应力确认材料在该温度下的体积，如下图 1 所示；第二，对于确认的体积和温度，根据结构对称性施加对应的应变，提取施加应变后材料的应力；第三，通过应力求解弹性常数。基于以上计算流程，我们已经得到了 ZrC 结构在 2000 K 下的弹性常数 C11。与基于准简谐近似方法通过计算声子态密度获取自由能导出的弹性常数相比，基于第一性原理分子动力学方法更符合高温下的真实情况。目前，相关数据仍在整理中。

图 1 2000 K 温度下 ZrC 晶体结构的应力（晶格参数 a = 9.526 A） 

3）确定了模拟材料熔点和高温力学性质的高通量计算流程。 

后续工作及合作： 

1）Ivan Kruglov 博士将继续提供一定计算资源协助进行过渡金属碳化物和氮化物熔点及高温力学性质的第一性原理模拟。 

2）双方将尽快开发高通量计算代码，并与现有数据库进行接口。 

3）拟合作申请俄罗斯科学院基金或中俄联合研究基金。 

Ivan Kruglov 博士简介： 

Ivan Kruglov，博士，毕业于俄罗斯莫斯科物理技术学院，现任俄罗斯莫斯科物理技术学院计算材料与设计实验室常务副主任。目前，Ivan Kruglov 博士主要从事第一性原理分子动力学模拟材料性质以及如何利用机器学习加速新材料发现等领域的研究工作，已在 Science Advances、PRB、Scientific Reports 等杂志发表论文多篇。