一种预测石墨烯在硬质合金表面生长的方法

1.本发明涉及一种预测石墨烯在硬质合金表面生长的方法，具体属于先进制造技术领域。

背景技术：

2.随着加工精度越高，对于机床刀具的要求越发重要。涂层由于其具有高硬度、低摩擦和抗磨损是作为保护刀具的良好材料。石墨烯由于其具有优异的导热性、拉伸强度和高硬度，是作为表面保护涂层的理想材料。在cvd（chemical vapor deposition, 化学气相沉积）制备石墨烯时，由于其较多的可调参数（温度、压强、基底、碳源等），进行实验时改变任何一个工艺参数都将影响石墨烯的生长质量，这使得依赖实验探究生长石墨烯的机理与优化实验设计带来了困难。
3.对石墨烯生长的过程进行仿真模拟，可以有效的降低实际cvd生产石墨烯的能源消耗，缩短实验周期，并得到获得高质量石墨烯的理论依据，为实验提供理论基础。本发明就是建立一种预测石墨烯在硬质合金表面生长的方法。通过改变模拟参数预测实际实验中石墨烯的生长状况，在不同的沉积温度和不同碳原子沉积速率下，通过直观观察石墨烯的生长状况和统计石墨烯的基本单元，得到不同沉积温度和沉积速率对石墨烯生长的影响，比较得出石墨烯的最佳生长参数。

技术实现要素：

4.为了增强刀具的使用寿命，降低刀具的磨损，结合石墨烯的优良性能，预测了一种石墨烯在硬质合金表面生长的方法，以石墨烯作为润滑涂层，降低石墨烯涂层刀具与工件之间的摩擦力，达到降低切削温度的目的。
5.本发明一种预测石墨烯在硬质合金表面生长的方法基于md（molecular dynamics，分子动力学）理论，通过使用lammps（large-scale atomic/molecular massively parallel simulator，大规模原子/分子并行模拟器）模拟计算碳原子在硬质合金表面的自组装及石墨烯生长过程，在不同的沉积温度和沉积速率下，预测石墨烯在硬质合金表面的生长状况，得出高质量石墨烯的模拟条件，具体内容包如下；内容1：计算过程采用md模拟研究石墨烯在硬质合金表面的生长过程：先构建硬质合金基底模型，使用共轭梯度法，经过20ps的温度弛豫后，硬质合金基底达到稳定，然后进行碳原子的沉积；分别设置不同的沉积温度和碳原子的沉积速率，预测石墨烯在硬质合金表面的生长；为确保模拟的准确性，使用相关势函数；内容2：模型构建通过lammps建立2.872 nm
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2.872 nm
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2.259 nm的wc-co基底模型；在x、y方向采用周期性边界，模拟无限表面，在z方向上采用固定边界，为防止底面产生运动，固定z
方向0-3
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的原子；系统温度控制采用nvt（正则系综），体系中动力学方程的数值积分用verlet算法（速度算法），时间步长为0.001ps；将空间为的wc的
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晶面和空间为p63/mmc的co的 (0001) 晶面作为沉积面；将碳氢化合物分子的分解和沉积简化为单个碳原子沉积在wc-co硬质合金表面，实际碳源流量用cdr（carbon deposition rate, 碳原子沉积速率）表征，使用沉积一个碳原子的时间间隔表示cdr，单位为ps/c，共模拟300个碳原子沉积过程；模拟设置900 k、1300 k和1700 k三种沉积温度，研究温度对石墨烯生长的影响；为研究不同cdr对生长石墨烯的影响，将cdr分别设为2 ps/c、4ps/c、10 ps/c、20 ps/c进行模拟；模型构建中，通过统计模拟结果中五元环、六元环和七元环的数目反映石墨烯质量；通过石墨烯rms (root mean square, 均方根)粗糙度来表征生长石墨烯表面的平整度；通过比较不同沉积温度和沉积速率下，石墨烯基本单元数目和石墨烯的平整度，确定高质量石墨烯的生长条件；通过确定制备高质量石墨烯的最佳模拟参数，为化学气相沉积制备石墨烯提供预测。
6.所述的势函数用于反映石墨烯在硬质合金表面生长中各原子之间的相互关系，使用w-c-h系统abop势函数（analytical bond order potential, 分析键序势）表达wc之间的相互关系；eam（embedded atom method,原子嵌入法）势函数描述金属co之间的相互作用；沉积碳原子之间的相互作用由airebo势函数描述；硬质合金中wc与co之间的相互关系采用morse势函数描述；沉积碳原子与wc、co之间的作用使用l-j (lennard-jones) 势函数描述。
7.本发明的有益效果：基于石墨烯的优良特性，预测石墨烯在硬质合金表明生长的状况，在不同的沉积温度和沉积速率下沉积石墨烯，比较其石墨烯基本单元和rms，获得质量高的石墨烯层，进而指导实际cvd生产石墨烯的能源消耗，缩短实验周期。
附图说明
8.图1为本发明方法的模拟流程图；图2为本发明方法构建的石墨烯在wc-co表面沉积的模拟模型；图3为本发明方法在沉积温度为900k下，石墨烯的生长状况；图4为本发明方法在沉积温度为1300k下，石墨烯的生长状况；图5为本发明方法在沉积温度为1700k下，石墨烯的生长状况；图6为本发明方法不同沉积温度下，生长石墨烯的质量；图7为本发明方法不同沉积温度下，生长石墨烯的表面平整度；图8为本发明方法在cdr为2ps/c下，石墨烯的生长状况；图9为本发明方法在cdr为4ps/c下，石墨烯的生长状况；图10为本发明方法在cdr为10ps/c下，石墨烯的生长状况；图11为本发明方法在cdr为20ps/c下，石墨烯的生长状况；图12为本发明方法不同cdr下，生长石墨烯的碳环数目。
具体实施方式
9.结合附图时实施例详细说明本发明的实施方式
根据cvd生长石墨烯的理论基础，确定影响石墨烯生长的因素，然后由分子动力学理论构建硬质合金基底理论模型。通过lammps使用共轭梯度法对体系温度弛豫20ps，达到体系稳定；其次在石墨烯沉积时，引入相关参数（不同的沉积温度、沉积速率），进行模拟计算。得到不同参数下的模拟结果，通过可视化软件直接观察石墨烯的生长状况；计算石墨烯的rms，评价石墨烯表面平整度以及统计石墨烯的基本单元数目，确定形成高质量石墨烯的模拟参数，为实际实验中cvd生长石墨烯提供有效预测分析。
10.实施例1通过lammps建立2.872 nm
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2.872 nm
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2.259 nm的wc-co基底模型；在x、y方向采用周期性边界，模拟无限表面，在z方向上采用固定边界，为防止底面产生运动，固定z方向0-3
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的原子；系统温度控制采用正则系综（nvt），体系中动力学方程的数值积分用速度（verlet）算法，时间步长为0.001ps；将空间为的wc的
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晶面和空间为p63/mmc的co的 (0001) 晶面作为沉积面；沉积过程使用w-c-h系统abop势表达wc之间的相互关系（如表1）；eam势函数描述金属co之间的相互作用；沉积碳原子之间的相互作用由airebo势描述；硬质合金中wc与co之间的相互关系采用morse势描述（如表2）；沉积碳原子与wc、co之间的作用使用l-j势描述（如表3）；使用表1中的参数，通过tersoff编程，构建出abop势文件，并将abop文件与编写的程序放同一文件夹下。
11.使用共轭梯度法，在不同的沉积温度下（900 k，1300 k、1700 k）弛豫20ps，使得体系达到稳定。其次通过插入单个碳原子模拟石墨烯的沉积过程，石墨烯的插入速率保持在10ps/c进行模拟。
12.图3-图5为不同沉积温度下，石墨烯的模拟结果。
13.由图3-图5模拟结果和图6-图7统计结果可以看出，不同的温度下石墨烯的生长情况。在图3-图4中，发现在此温度下生长的石墨烯缺陷较多，尺寸较大。图5中，在高温下和巨大能量的碳原子沉积下，部分金属钴原子被蒸发，与碳化钨形成较大的高度差，使得石墨烯产生巨大的变形，并且作为粘结剂的金属钴变少，将降低硬质合金的韧性，不利于实际加工生产。
14.由图6-图7可得，高温会促进碳原子的迁移，有助于生成缺陷少，质量高的石墨烯，但是温度过高会损伤基底，使得石墨烯产生巨大的变形，整体平整度变差，体现在石墨烯的rms值增大。在1300k的沉积温度下，硬质合金的基底没有产生很大的变化，石墨烯中含有的五元、六元和七元碳环数目较多，该温度下生成的石墨烯质量也最好。
15.实施例2通过lammps建立2.872 nm
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2.872 nm
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2.259 nm的wc-co基底模型；在x、y方向采用周期性边界，模拟无限表面，在z方向上采用固定边界，为防止底面产生运动，固定z方向0-3
å
的原子；系统温度控制采用正则系综（nvt），体系中动力学方程的数值积分用速度（verlet）算法，时间步长为0.001ps；将空间为的wc的
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晶面和空间为p63/mmc的co的 (0001) 晶面作为沉积面；
沉积过程使用w-c-h系统abop势表达wc之间的相互关系（如实施例1中表1）；eam势函数描述金属co之间的相互作用；沉积碳原子之间的相互作用由airebo势描述；硬质合金中wc与co之间的相互关系采用morse势描述（如实施例1中表2）；沉积碳原子与wc、co之间的作用使用l-j势描述（如实施例1中表3）；使用的实施例1中表1的参数，通过tersoff编程，构建出abop势文件，并将abop文件与编写的程序放同一文件夹下。
16.使用共轭梯度法，在沉积温度为1100 k下，弛豫20ps，使得体系达到稳定。其次通过插入单个碳原子模拟石墨烯的沉积过程，将石墨烯的插入速率分别设置为2 ps/c、4ps/c、10 ps/c、20 ps/c进行模拟。
17.图8-图11为不同沉积速率下，石墨烯的模拟结果。
18.通过图8-图9，可以看出，在cdr为2ps/c、4ps/c下的石墨烯存在的缺陷较多，且缺陷尺寸较大。在图10中，cdr为10 ps/c下模拟的模拟结果，石墨烯缺陷较少，基底覆盖率较高，生长的石墨烯质量较高，如图11所示，20ps/c的沉积速率下，碳原子团聚严重，表面不平整，石墨烯生长质量变差。图12表明不同沉积速率下生长的石墨烯质量，可见，在沉积速率为10ps/c，沉积生长的石墨烯数目最多，获得的石墨烯的五元、六元环数所占比例也最高，可以实现高质量石墨烯生长。
19.从实施例1与例2可以得到，在沉积温度为1300 k、沉积速率为10 ps/c时，生长石墨烯的质量较好。

技术特征：

1.一种预测石墨烯在硬质合金表面生长的方法，其特征在于：所述的方法基于md理论，通过使用lammps模拟计算碳原子在硬质合金表面的自组装及石墨烯生长过程，在不同的沉积温度和沉积速率下，预测石墨烯在硬质合金表面的生长状况，得出高质量石墨烯的模拟条件，具体内容包如下；内容1：计算过程采用md模拟研究石墨烯在硬质合金表面的生长过程：先构建硬质合金基底模型，使用共轭梯度法，经过20ps的温度弛豫后，硬质合金基底达到稳定，然后进行碳原子的沉积；分别设置不同的沉积温度和碳原子的沉积速率，预测石墨烯在硬质合金表面的生长；为确保模拟的准确性，使用相关势函数；内容2：模型构建通过lammps建立2.872 nm
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2.872 nm
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2.259 nm的wc-co基底模型；在x、y方向采用周期性边界，模拟无限表面，在z方向上采用固定边界，为防止底面产生运动，固定z方向0-3
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的原子；系统温度控制采用nvt，体系中动力学方程的数值积分用verlet算法，时间步长为0.001ps；将空间为的wc的晶面和空间为p63/mmc的co的 (0001) 晶面作为沉积面；将碳氢化合物分子的分解和沉积简化为单个碳原子沉积在wc-co硬质合金表面，实际碳源流量用cdr表征，使用沉积一个碳原子的时间间隔表示cdr，单位为ps/c，共模拟300个碳原子沉积过程；模拟设置900 k、1300 k和1700 k三种沉积温度，研究温度对石墨烯生长的影响；为研究不同cdr对生长石墨烯的影响，将cdr分别设为2 ps/c、4ps/c、10 ps/c、20 ps/c进行模拟；模型构建中，通过统计模拟结果中五元环、六元环和七元环的数目反映石墨烯质量；通过石墨烯rms粗糙度来表征生长石墨烯表面的平整度；通过比较不同沉积温度和沉积速率下，石墨烯基本单元数目和石墨烯的平整度，确定高质量石墨烯的生长条件；通过确定制备高质量石墨烯的最佳模拟参数，为化学气相沉积制备石墨烯提供预测。2.根据权利要求1所述的一种预测石墨烯在硬质合金表面生长的方法，其特征在于：所述的势函数用于反映石墨烯在硬质合金表面生长中各原子之间的相互关系，使用w-c-h系统abop势函数表达wc之间的相互关系；eam势函数描述金属co之间的相互作用；沉积碳原子之间的相互作用由airebo势函数描述；硬质合金中wc与co之间的相互关系采用morse势函数描述；沉积碳原子与wc、co之间的作用使用l-j势函数描述。

技术总结

本发明一种预测石墨烯在硬质合金表面生长的方法基于MD理论，通过使用LAMMPS模拟计算碳原子在硬质合金表面的自组装及石墨烯生长过程，在不同的沉积温度和沉积速率下，预测石墨烯在硬质合金表面的生长状况，得出高质量石墨烯的模拟条件，为化学气相沉积制备石墨烯提供预测。本发明通过预测石墨烯在硬质合金表明生长的状况，在不同的沉积温度和沉积速率下沉积石墨烯，比较其石墨烯基本单元和RMS，获得质量高的石墨烯层，进而指导实际CVD生产石墨烯的能源消耗，缩短实验周期。缩短实验周期。缩短实验周期。