一种等摩尔比高熵合金中间隙哑铃的建模方法

技术领域

本发明涉及高熵合金的数值模拟建模技术领域，具体涉及一种等摩尔比高熵合金中间隙哑铃的建模方法。

背景技术

随着对第四代反应堆要求的不断提高，开发能够满足下一代反应堆服役要求的包壳材料成为核能发展中的关键问题之一，高熵合金(High Entropy Alloy,HEA)由于具备优于传统合金的综合性能，例如高强度、高硬度、高韧性、耐腐蚀、耐辐照等，有望成为下一代反应堆包壳的候选材料。

高熵合金是由多种金属组成的，具有高混合度，由于混合的高组态熵，这些合金倾向于以固溶体的形式在简单的面心立方(fcc)或体心立方(bcc)结构中结晶。在HEA中，每个原子的局部原子环境都是唯一的，因此即使在相同的材料中，缺陷性质也会发生变化。尤其是缺陷能，包括其形成能和迁移能，都表现出能量分布。因此，空位和间隙原子之间的相互作用可能会增强，这有助于改善缺陷的复合特性，从而改善抗辐照性。

目前，高熵合金抗辐照性能的模拟还受到一定的限制，由于组成元素较多，其经验势较难获得，从而导致分子动力学模拟的开展较困难，而基于密度泛函理论的第一性原理模拟方法则不依赖于原子间的作用势。然而，模型建立是应用第一性原理模拟方法的障碍之一，尤其是对相对复杂的间隙哑铃结构而言。且目前还没有相关的文献公开了关于等摩尔比高熵合金中间隙哑铃的建模方法。

发明内容

基于背景技术中存在的问题，本申请提出了一种等摩尔比高熵合金中间隙哑铃的建模方法，通过向等摩尔比高熵合金体系中特定的位置添加原子，再沿特定坐标轴进行特定角度旋转，获得含有沿不同方向的间隙哑铃结构的体系，得到了快速、高效、准确地构建等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的方法，为后续研究体系中间隙哑铃的形成、稳定性、迁移特性等提供了模型基础，对等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的研究有重要的科学意义，解决了背景技术中存在的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：

提供一种等摩尔比高熵合金中间隙哑铃的建模方法，

通过VESTA软件构建沿(100)方向的间隙哑铃结构；

通过MS软件构建沿(110)方向的间隙哑铃结构；

基于(110)方向的间隙哑铃结构，继续通过MS构建沿(111)方向的间隙哑铃结构。

本发明通过联合使用VESTA软件和MS(Materials Studio)软件的不同建模功能，首先通过向等摩尔比高熵合金体系中特定的位置添加原子，再沿特定坐标轴进行特定角度旋转，获得含有沿不同方向的间隙哑铃结构的体系，得到了快速、高效、准确地构建等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的方法，为后续研究等摩尔比高熵合金体系中间隙哑铃的形成、稳定性、迁移特性等提供了模型基础，对等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的研究有重要的科学意义。

进一步的，具体包括以下步骤：

步骤1：利用VESTA软件打开等摩尔比高熵合金中的SQS超胞模型，获得等摩尔比高熵合金中的间隙哑铃结构；

步骤2：向等摩尔比高熵合金的体系结构中添加构成间隙哑铃结构的原子，获得含沿(100)方向的间隙哑铃结构；

步骤3：利用MS软件，将体系中沿(100)方向的间隙哑铃结构沿Z轴旋转45°，获得沿(110)方向的间隙哑铃结构的体系；

步骤4：利用MS软件，将体系中沿(110)方向的间隙哑铃结构沿y轴旋转45°，获得沿(111)方向的间隙哑铃结构的体系。

在步骤1中使用VESTA软件直接向等摩尔比高熵合金体系中添加原子，避免了通过计算坐标添加原子的复杂和易错的过程。

在步骤2和步骤3中，基于前一步骤得到的结构，直接用MS软件来旋转间隙哑铃结构的方法，简单、方便、且准确，避免了计算沿不同方向的间隙哑铃原子坐标的冗余过程，提高了建模效率。

进一步的，步骤1中利用VESTA软件获得等摩尔比高熵合金中的间隙哑铃结构的具体方法为：

用VESTA软件将等摩尔比高熵合金结构文件打开，依次点击Edit→Edit data→Structure parameters，在弹出的窗口中点击New；选择构成间隙哑铃的原子类型；选择体系中1个金属单质原子，将其b、c坐标复制到x、z坐标位置，将a坐标加0.07后，写到y坐标位置，点击Apply，将得到的结构保存为.cif格式的文件。

进一步的，步骤2中，在获得沿(100)方向的间隙哑铃结构的体系时，等摩尔比高熵合金中每个原子的获得方法相同。

进一步的，步骤2中获得沿(100)方向的间隙哑铃结构体系的方法为：

依次选择原体系中的原子，以其坐标为基础，修改y坐标，添加与其共同构成间隙哑铃的原子。

进一步的，步骤3中获得沿(110)方向的间隙哑铃结构的体系的方法为：

将含沿(100)方向间隙哑铃的结构体系用MS软件打开，选中两个间隙哑铃原子，将其沿z坐标轴旋转45°，得到沿(110)方向的间隙哑铃结构，将结构文件导出。

进一步的，步骤4中获得沿(111)方向的间隙哑铃结构的体系的方法为：

基于步骤3中获得的沿(110)方向的间隙哑铃结构体系的基础上，选中构成间隙哑铃的原子，将其沿y轴旋转45°，得到沿(111)方向的间隙哑铃结构，将结构文件导出。

进一步的，所述等摩尔比高熵合金包括AlNbTiZr高熵合金。

除了例举的AlNbTiZr高熵合金外，其他高熵合金也可以采用上述方法获得沿不同方向的间隙哑铃结构。

进一步的，用VESTA软件打开AlNbTiZr高熵合金中的SQS超胞模型的晶格参数为：

进一步的，所述AlNbTiZr高熵合金的SQS超胞大小为4×4×4。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明通过联合使用两种不同建模软件的特殊功能，向等摩尔比高熵合金体系中特定的位置添加原子，再沿特定坐标轴进行特定角度旋转，获得含有沿不同方向的间隙哑铃结构的体系，得到了快速、高效、准确地构建等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的方法，为后续研究体系中间隙哑铃的形成、稳定性、迁移特性等提供了模型基础，对等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的研究有重要的科学意义；

(2)本发明属于模型构建方法，仅通过原体系中添加一次原子就可以获得沿不同方向的间隙哑铃结构，能够为采用第一性原理方法研究等摩尔比高熵合金中的间隙哑铃性质提供模型基础，对等摩尔比高熵合金中间隙哑铃的研究有重要的科学意义；

(3)本发明的建模方法克服了通过计算机获得传统材料中间隙哑铃原子位置的繁冗程序的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中一种等摩尔比高熵合金中间隙哑铃的建模方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中通过VESTA添加原子的界面图；

图3为本发明实施例中通过MS旋转间隙哑铃结构的界面图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例1

该实施例提供一种等摩尔比高熵合金中间隙哑铃的建模方法，具体包括以下步骤：

步骤1：利用VESTA软件打开等摩尔比高熵合金中的SQS超胞模型，获得等摩尔比高熵合金中的间隙哑铃结构；

步骤2：向等摩尔比高熵合金的体系结构中添加构成间隙哑铃结构的原子，获得含沿(100)方向的间隙哑铃结构；

步骤3：利用MS软件，将体系中沿(100)方向的间隙哑铃结构沿Z轴旋转45°，获得沿(110)方向的间隙哑铃结构的体系；

步骤4：利用MS软件，将体系中沿(110)方向的间隙哑铃结构沿y轴旋转45°，获得沿(111)方向的间隙哑铃结构的体系。

在步骤1中使用VESTA软件直接向等摩尔比高熵合金体系中添加原子，避免了通过计算坐标添加原子的复杂和易错的过程。

在步骤2和步骤3中，基于前一步骤得到的结构，直接用MS软件来旋转间隙哑铃结构的方法，简单、方便、且准确，避免了计算沿不同方向的间隙哑铃原子坐标的冗余过程，提高了建模效率。

具体的，步骤1中利用VESTA软件获得等摩尔比高熵合金中的间隙哑铃结构的具体方法为：

用VESTA软件将等摩尔比高熵合金结构文件打开，依次点击Edit→Edit data→Structure parameters，在弹出的窗口中点击New；选择构成间隙哑铃的原子类型；选择体系中1个金属单质原子，将其b、c坐标复制到x、z坐标位置，将a坐标加0.07后，写到y坐标位置，点击Apply，将得到的结构保存为.cif格式的文件。

具体的，步骤2中，在获得沿(100)方向的间隙哑铃结构的体系时，等摩尔比高熵合金中每个原子的获得方法相同。

具体的，步骤2中获得沿(100)方向的间隙哑铃结构的体系的方法为：

依次选择原体系中的原子，以其坐标为基础，修改y坐标，添加与其共同构成间隙哑铃的原子。

具体的，步骤3中获得沿(110)方向的间隙哑铃结构的体系的方法为：

将含沿(100)方向间隙哑铃的结构体系用MS软件打开，选中两个间隙哑铃原子，将其沿z坐标轴旋转45°，得到沿(110)方向的间隙哑铃结构，将结构文件导出。

具体的，步骤4中获得沿(111)方向的间隙哑铃结构的体系的方法为：

基于步骤3中获得的沿(110)方向的间隙哑铃结构体系的基础上，选中构成间隙哑铃的原子，将其沿y轴旋转45°，得到沿(111)方向的间隙哑铃结构，将结构文件导出。

通过联合使用两种不同建模软件的特殊功能，向等摩尔比高熵合金体系中特定的位置添加原子，再沿特定坐标轴进行特定角度旋转，获得含有沿不同方向的间隙哑铃结构的体系，得到了快速、高效、准确地构建等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的方法，为后续研究体系中间隙哑铃的形成、稳定性、迁移特性等提供了模型基础，对等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的研究有重要的科学意义。

实施例2

如图1所示，该实施例提供一种等摩尔比高熵合金中间隙哑铃的建模方法，具体为AlNbTiZr高熵合金中间隙哑铃的建模方法，操作步骤如下：

S101：用VESTA软件打开AlNbTiZr高熵合金的SQS超胞模型：

晶格参数为：

其中，a、b、c为单胞三个方向的晶格参数，α、β、γ为单胞三个方向间的夹角；

等摩尔比AlNbTiZr高熵合金的SQS超胞大小为4×4×4。

S102：向等摩尔比AlNbTiZr体系结构中添加构成间隙哑铃结构的原子，获得含沿(100)方向的间隙哑铃结构的体系：

用VESTA软件将等摩尔比高熵合金结构文件打开，依次点击Edit→Editdata→Structure parameters，在弹出的窗口中点击New；

选择构成间隙哑铃的原子类型；

选择体系中的1个Al原子，将其b、c坐标复制到x、z坐标位置，将a坐标加0.07后，写到y坐标位置，点击Apply，如图2所示；

将得到的结构保存为.cif格式的文件，以便下一步使用；

同样地，选择体系中的1个Nb原子，将其b、c坐标复制到x、z坐标位置，将a坐标加0.07后，写到y坐标位置，点击Apply；

同样地，选择体系中的1个Ti原子，将其b、c坐标复制到x、z坐标位置，将a坐标加0.07后，写到y坐标位置，点击Apply；

同样地，选择体系中的1个Zr原子，将其b、c坐标复制到x、z坐标位置，将a坐标加0.07后，写到y坐标位置，点击Apply。

S103：利用MS软件，将体系中沿(100)方向的间隙哑铃结构沿z轴旋转45°，获得沿(110)方向的间隙哑铃结构的体系：

将上一步中得到的.cif文件依次用MS(Materials Studio)软件打开；

选择构成间隙哑铃的两个原子；

将其沿z轴旋转45°，如图3所示，得到沿(110)方向的间隙哑铃结构；

将结构文件导出，便于后续计算使用。

S104：利用MS(Materials Studio)软件，将体系中沿(110)方向的间隙哑铃结构沿y轴旋转45°，获得沿(111)方向的间隙哑铃结构的体系：

用同S103步骤中类似的方法，将上一步得到的含沿(110)方向的间隙哑铃结构文件依次用MS(Materials Studio)软件打开；

选择构成间隙哑铃的两个原子；

将其沿y轴旋转45°，得到沿(111)方向的间隙哑铃结构；

将结构文件导出，便于后续计算使用。

该实施例以AlNbTiZr高熵合金为例，通过联合使用VESTA软件和MS(MaterialsStudio)软件的不同建模功能，首先通过向等摩尔比高熵合金体系中特定的位置添加原子，再沿特定坐标轴进行特定角度旋转，获得含有沿不同方向的间隙哑铃结构的体系，得到了快速、高效、准确地构建等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的方法，为后续研究等摩尔比高熵合金体系中间隙哑铃的形成、稳定性、迁移特性等提供了模型基础，对等摩尔比高熵合金中间隙哑铃结构的研究有重要的科学意义。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。