应力场多尺度模拟对碳化硅性能的调控机制及加工行为影响研究

这篇研究通过创新性结合第一性原理计算（DFT）、分子动力学（MD）和多尺度模拟，系统揭示了应力对碳化硅（SiC）机械性能（硬度、弹性模量）和热力学参数（熵S、热容Cp、焓H、吉布斯自由能G）的调控机制，为航空航天和核能领域SiC材料的精密加工提供了理论支撑。

　　

Highlight

应力通过改变原子间距和键角，显著调控材料的机械与化学性质。本研究通过第一性原理计算（DFT）与多尺度模拟的创新结合，揭示了应力对碳化硅（SiC）性能的影响机制。

测量应力与硬度分布

采用固定磨料垫对2英寸SiC晶圆进行研磨实验，在3-5 Psi载荷下检测残余应力与硬度。结果显示：表面压应力随载荷增加而增强（3 Psi时达-1.27 GPa），硬度分布呈现非均匀特征，为后续模拟提供数据基础。

应力梯度与尺寸效应

有限元分析（FEA）和分子动力学（MD）模拟表明：应力梯度会显著影响压痕过程中硬度与弹性模量的尺寸依赖性。有趣的是，当材料尺寸低于20 nm时，弹性模量波动呈现非线性规律——这与表面张力效应密切相关。

原子尺度应力响应

DFT计算预测了不同应力条件下SiC的晶格结构演变：压应力使体积模量（Bulk modulus）提升12%，而拉应力会降低反应能垒，加速氧化反应动力学。这种“应力-化学耦合”效应为理解加工中的材料去除行为提供了新视角。

Conclusion

研究证实应力值和方向对SiC性能具有双重调控作用：压应力提升硬度和热稳定性，而拉应力促进相变和化学反应活性。这些发现为优化SiC精密加工工艺提供了多尺度理论框架。