辐照模拟调研2016基金计划书

1、自然科学基金委员会资助项目计划书资助类别：青年科学基金项目亚类说明：附注说明：项目名称：核用碳化硅复合材料的界面热导优化及辐照环境下的导热机理研究直接费用：20万元执行年限：2017.01-2019.12：邓程程通讯地址：省市洪山区珞喻路1037号：430074：电子邮件：dengcc依托：华技大学人：游超：填表日期：2016年08月24日自然科学基金委员会制Version：1.009.370项目批准号51606072申请代码E060301归口管理部门依托代码43007408A0502-0936自然科学基金项目计划书自然科学基金委员会资助项目计划书填报说明一、项目收到关于自然科学基金资助项目批

2、准及有关事项（以下简称批准通知）后，请认真阅读本填报说明，参照自然科学基金相关项目管理办法及会和提交自然科学基金资助项目资金管理办法（请查阅自然科学基金委员首页“政策”-“管理办法”栏目），按批准通知的要求认真填写自然科学基金委员会资助项目计划书（以下简称计划书）。二、填写计划书时要求科学严谨、实事求是、表述清晰、准确。计划书经自然科学基金委员会相关项目管理部门审核批准后，将作为项目研究计划执行和检查、验收的依据。三、计划书各部分填写要求如下：（一） 简表：由系统自动生成。（二） 摘要及：各类获资助项目都必须填写中、英要及。（三） 项目组主要成员：计划书中列出姓名的项目组主要成员由系统自动生成

3、，与申请书原成员保持一致，不可随意调整。如果批准通知中“项目评审意见及修改意见表”中“对研究方案的修改意见”栏目有调整项目组成员相关要求的，待项目开始执行后，按照项目成员变更程序另行办理。（四） 资金预算表：按批准资助的直接费用填报资金预算表和预算说明书，其中的劳务费、咨询费金额不应高于申请书中相应金额。科研仪器研制项目、项目还应按照预算评审后的直接费用各科目金额填报资金预算表、预算说明书及相应的预算明细表。（五） 正文：1.面上项目、青年科学基金项目、地区科学基金项目：如果批准通知中没有修改要求的，只需选择“研究内容和研究目标按照申请书执行”即可；如果批准通知中“项目评审意见及修改意见表”中

4、“对研究方案的修改意见”栏目明确要求调整研究期限和研究内容等的，须选择“根据研究方案修改意见更改”并填报相关修改内容。2.重点项目、重点国际（地区）合作研究项目、项目、科研仪器研制项目：须选择“根据研究方案修改意见更改”，根据批准通知的要求填写研究（研制）内容，不得自行降低、更改研究目标（或仪器研制的技术性能与主要技术指标以及验收技术指标）或缩减研究（研制）内容。此外，还要突出以下几点：（1）研究的难点和在实施过程中可能遇到的问题（或仪器研制风险），拟采用的研究（研制）方案和技术路线；（2）项目主要参与者分工，合作研究明课题之间的关联；（3）详细的年度研究（研制）计划。之间的关系与分工，项目还

5、需说第1页自然科学基金项目计划书3.杰出青年科学基金、优秀青年科学基金和海外及学者合作研究基金项目：须选择“根据研究方案修改意见更改”，按下列提纲撰写：（1）研究方向；（2）结合国内外研究现状，说明研究工作的学术思想和科学意义（限两个页面）；（3）研究内容、研究方案及预期目标（限两个页面）；（4）年度研究计划；（5）研究队伍的组成情况。对于其他类型项目，参照面上项目的方式进行选择和填写。4.第2页自然科学基金项目计划书简表第3页申请者信息姓名邓程程出生年月1987年03月女学位博士讲师电话电子邮件dengcc传真个人网页工 作华技大学所 在 院 系 所能源与动力依托单位信息名称华技大学代码43

6、007408A0502联系人游超电子邮件kjcjcb电话地址合作单位信息单位名称代码项目基本信息项目名称核用碳化硅复合材料的界面热导优化及辐照环境下的导热机理研究资助类别青年科学基金项目亚 类 说 明附注说明申请代码E060301:热传导E0608:工程热物理相关交叉领域基地类别执行年限2017.01-2019.12直接费用20万元自然科学基金项目计划书项目摘要第4页中 要(500字以内)：碳化硅复合材料是先进核反应堆中一种极具应用前景的候选材料，其导热性能是影响反应堆热量载出的关键因素。然而传统的碳化硅复合材料一般难以达到核能服役下的高热导率要求。对复合材料中 与基体之间的界面层进行改进是一

7、种提高热导率的有效方式。本项目引入碳纳米管高热导材料替代传统的界面层材料，采用 动力学模拟方法，建立两种新的碳纳米管界面层结构（内插式双套管结构和弯折靠背结构），探索能够有效增强导热效果的优化界面层设计思路。在此基础上，研究辐照的级联碰撞过程引起界面层的结构损伤，进而系统地分析不同的辐照缺陷类型和辐照剂量对界面热导的影响规律，结合晶格动力学、非平衡格林函数方法以及中子辐照理论，揭示辐照效应对碳化硅复合材料界面热输运的作用机理。本项目在纳米尺度水平从本质上探究核用材料的热学问题，研究结果不仅能够促进碳化硅复合材料热学性质的基础研究，而且为其在未来核领域中的应用提供理论参考依据。：碳化硅复合材料；

8、碳纳米管；界面热导；辐照环境；热输运机理Abstract(limited to 4000 words)：The silicon carbide composites have been considered as promising candidate materials for several types of advanced nuclear reactors, and the capability of heat transport from reactor core largely depends on the property of thermal conduction of the

9、 materials. However, the thermal conductivities of traditional silicon carbide composites can hardly meet the desired requirement in the nuclear context. The improvement of the interphase between fiber and matrix in the composite materials may be an effective way to heighten the thermal properties.

10、In this project, carbon nanotube with high thermal conductivity is introduced to silicon carbide composites instead of traditional interphase materials. Through molecular dynamics simulation, we build two new carbon nanotube interphase structures (double-interpolated structure and bending-back struc

11、ture), to explore optimize design ideas of interphase that can effectively enhance the thermal conductivity. Furthermore, we perform the study on the structure damage of interphase due to irradiation collision cascades, and systematically analyze the effect of different irradiation defect types and

12、irradiation doses on the interfacial thermal conductance. Combining lattice dynamics, non-equilibrium Green's functions with neutron irradiation theory, we will reveal the physical mechanism of interface heat transport under irradiation effect for silicon carbide composites. This project aims to

13、 explore the fundamental heat transfer issues of nuclear materials at nano-scale level, and the results will not only promote the fundamental study of the thermal properties of silicon carbide composites, but also provide valuable theoretical reference for their applications in the future nuclear en

14、ergy area.Keywords: Silicon carbide composites; carbon nanotube; interfacial thermal conductance; irradiation environment; heat transport mechanism自然科学基金项目计划书项目组主要成员第5页编号学位名称证件号码项目分工每年工作时间（月）出生年月1邓程程1987.03女讲师博士华技大目62安盟1989.06男博士生华技大拟计算与理论分析63廖全文1990.10男博士生华技大

15、拟计算和理论分析64余晓翔1994.08男生学士华技大型建立和模拟计算95张莹莹1992.11女生学士华技大型建立与模拟计算96成卓1989.12男生学士华技大值计算和分析9总人数高级中级初级博士后博士生生6123自然科学基金项目计划书自然科学基金项目直接费用预算表（定额补助）金额项目批准号： 51606072项目：邓程程：万元第6页序号科目名称金额1一、 项目直接费用20.000021、 设备费0.00003(1)设备购置费0.004

16、(2)设备试制费0.005(3)设备改造与租赁费0.0062、 材料费0.0073、 测试化验费4.500084、动力费0.0095、 差旅/会议/国际合作与交流费6.5000106、/文献/信息/知识产权事务费2.7000117、 劳务费5.7000128、咨询费0.6000139、 其他0.0014二、 自筹资金0.0000自然科学基金项目计划书预算说明书（定额补助）第7页（请按自然科学基金项目资金预算表编制说明中的要求，对各项的主要用途和测算理由及合作研究外拨资金、单价10万元的设备费等内容进行详细说明，可根据需要另加附页。）3. 测试化验费（4.50 万）：因 项目需要大量模拟计算，需

17、要进行一些多核并行、大内存和长时间的计算，将在基金支持下到超级计算中心交费 的计算 ，从而大幅度提高课题组计算能力。用于 超算中心（ ）的计算机时费用。计算依据以往的租赁合同中 36 个核的价格是 1.5 万/年，三年共计 4.5 万元。5. 差旅费/会议/国际合作与交流费：（6.50 万）：(1) 用于项目成员在国内开会和学术 交流的差旅费和交通费。由于本项目属于前沿基础研究，有必要积极参加重要的学术会议和开展学术 交流，有助于 学习和宣传研究成果。按照平均每年 5 人次，约 0.3 万元/ 人次，每年共约 1.5 万元，三年共 4.5 万元。(2) 用于支持项目成员出国参加 会议及学术交流

18、的 费、交通费和住宿费。计划支持 1 人次出国参加会议和 交流，约 2 万/次，共计 2 万元。以上共计 6.5 万元。6./文献/信息/知识产权事务费（2.70 万）：用于项目研究过程中需要支付的 版面费、 资料费、文印费。项目中拟 5 篇 ，版面费约每篇 0.3 万元，共计 1.5 万元。另外，项目组在研究过程中需要用到的 资料费约 0.2 万元/年*3 年=0.6 万元，文印费约 0.2 万元/年*3 年=0.6 万元。以上共计约 2.7 万元。7. 劳务费（5.70 万）：用于支付参加项目的的劳务费用（助研津贴）。参加本项目的有 2 名博士生和 3 名生，根据本校助研津贴标准和个人工作

19、时间：博士生每人 0.5 万/年*2 人*3 年=3 万；生每人 0.3 万/年*3 人*3 年=2.7 万； 共计 5.7 万元。8.咨询费（0.60 万）：用于支付给临时聘请的咨询的费用。由于项目涉及交叉学科的前沿探索研究，有必要向国内外进行咨询学习，帮助解决科研过程中的难题。咨询方式分为会议咨询和通讯咨询两种：会议咨询 2 人次/年、支付标准按照 800 元/人次；通讯咨询 4 人次/年、支付标准按照 100 元/人次。咨询费每年 0.2 万元，三年共计 0.6 万元。项目签字：科研部门公章：财务部门公章：自然科学基金项目计划书报告正文一、 对函评的意见或建议说明：1. 第一个拟解决的关

20、键科学问题是对CNT界面层进行优化，缺乏说服力； 研究方案方面，建议该项目同时也采用第一性原理对其进行研究，可相互比对。说明：本项目拟解决的第一个关键科学问题是引入不同结构的 CNT 界面层来优化提高碳化硅复合材料的界面热导。在项目报告中已详细提出建立内插式 双套管结构和弯折靠背结构这两种新的 CNT 结构模型，试图探索能够有效增强碳化硅复合材料导热性能的新型界面层设计思路和科学依据。在研究方案方面，根据 建议也尝试采用第一性原理进行研究，以提高模拟结果的准确性。2. 在预期的研究成果方面，应有在国际期刊上的要求。说明：项目的预期研究成果已按照的指标。建议明确给出了在国际期刊上SCI3. 相比

21、于那些理论模拟，实验研究可能更为可靠。但申请人所提的套管结构能否实现？表面生长的碳纳米管实际不是一根根直立的，而是如头发状东倒西歪，两边如何对得上插得进？说明：正如评议面生长的碳纳米管对接所指出的，目前确实很难在实验中实现将两个不同表形成套管结构，但是目前已有技术能够实现将两个不同直径的碳纳米管连接起来。本项目主要通过模拟计算来探索提高界面热导的结构设计思路，模拟结果将为未来的实验研究提供参考依据。二、 以下为根据意见修改后的报告内容：1. 研究内容本项目拟开展核用SiCf/SiC复合材料的界面热导优化及其在辐照特殊环境下的导热机理研究，具体研究内容如下：(1) 引入不同结构的CNT纳米材料提

22、高SiCf/SiC复合材料的界面热导。由于CNT具有非常好的热学和力学特性，是一种极具潜质的新型界面层材料。本课题拟引入CNT纳米材料替代传统的SiCf/SiC复合材料中与基体之间第8页自然科学基金项目计划书的界面层，采用动力学模拟方法，研究CNT界面层的不同结构对提高SiCf/SiC复合材料的界面热导的影响规律，并理论分析界面处的热传导机理。从提高热导率的角度，对SiCf/SiC复合材料的界面层进行优化设计。该部分内容拟建立以下两种CNT界面层结构分别进行界面热导的优化：(a)采用内插式双套管结构的CNT作为界面层，并加入管间碳原子成键连接来提高界面热导。(b)利用弯折靠背结构的CNT作为界

23、面层，通过弯折后的回复应力增大界面间的相互作用来提高界面热导。(2) SiCf/SiC复合材料的界面在辐照环境下的导热机理。界面的辐照稳定性是决定SiCf/SiC复合材料整体性能的重要因素。界面结构一般更容易产生辐照缺陷损伤，进而是影响复合材料导热性能的薄弱环节。本课题拟研究引入CNT之后的SiCf/SiC复合材料的界面在受中子辐照作用后的级 联碰撞过程，进而引起的辐照结构损伤（产生空位、间隙或缺陷团簇等）。在此基础上，对典型的辐照缺陷类型及不同辐照剂量（缺陷浓度）对CNT-SiC界面热导产生的影响规律进行分析。结合晶格动力学和非平衡格林函数方法以及中子辐照理论，揭示碳化硅复合材料的界面结构在

24、辐照环境下的热输运机理。2. 研究方案和技术路线本项目总体上采用数值模拟和理论分析相结合的方法研究核用碳化硅复合 材料的导热性能。首先，采用 动力学模拟方法，对不同结构的 CNT 作为界面层的碳化硅复合材料的热输运过程进行模拟计算，研究其对界面热导的影响规律；然后，对模拟系统施加核辐照的作用，模拟中子辐照的级联碰撞过程， 获得微观结构辐照损伤的结果；最后，利用晶格动力学和非平衡格林函数方法，并结合中子辐照理论，对发现的新现象和问题进行合理的解释，分析辐照效应对界面热传导的作用机理。每个研究内容制定的具体研究方案如下：(1) 引入不同结构的 CNT 纳米材料提高 SiCf/SiC 复合材料的界面

25、热导：本项目引入CNT纳米材料作为SiCf/SiC复合材料的界面层，采用动力学模拟方法，研究不同结构的CNT界面层对提高SiCf/SiC复合材料界面热导的影响规律。拟建立两种结构模型分别进行界面热导的优化：(a) 采用内插式双套管结构的CNT作为界面层，并加入管间碳原子成键连接提高界面热导（如图1所示）。(b) 利用弯折靠背结构的CNT作为界面层，通过弯折后的回复应力增大界面间的第9页自然科学基金项目计划书相互作用来提高界面热导（如图2所示）。(a) 横截面结构(b) 轴向原子结构（黄色为 Si 原子，图 1 内插式双套管模型结构示意图为 C 原子）图 2 弯折靠背模型结构示意图模拟过程描述：

26、在模拟系统中，在轴向方向采用固定式边界条件，在其他两个方向采用周期性边界条件。SiC 原子之间以及 CNT 与 SiC 原子之间的相互作用均采用 Tersoff 势函数；CNT 原子之间相互作用采用 AIREBO 势函数；非成键作用的不同 CNT 之间采用 Lennard-Jones 势函数。在初始模型弛豫阶段，采用NPT 系综，并使用 Langevin 热浴，使模型达到所需的平衡温度。在 NPT 松弛之后，系统转换为 NVE 系综来计算界面热导。在被研究结构两端加入高温热源和低温热沉，从而在结构中形成温度梯度和从高温向低温传输的稳定热流 JQ。沿系统轴向等距离划分多个薄片来里叶定律，界面热导

27、可表示为：温度分布，界面处的温差记为 T。根据傅G = JQ / ( ADT )(2) SiCf/SiC 复合材料的界面在辐照环境下的导热机理：首先，采用动力学模拟上述不同结构的 CNT 与 SiC 之间形成的界面在受辐照作用后的级联碰撞过程，利用位置法和径向分布函数法等分析辐照缺陷的分布情况（包括空穴、间隙和缺陷团簇等）。然后在此基础上，对典型的辐照缺陷类型以及不同的辐照剂量对 CNT-SiC 界面热导产生的影响进行系统地比较和分析。最后，综合分析 CNT-SiCf/SiC 复合材料在未受辐照和受辐照作用第10页自然科学基金项目计划书后界面热导的变化规律，结合晶格动力学和非平衡格林函数方法以

28、及中子辐照理论，研究揭示该复合材料的界面在辐照作用下热输运过程的物理机理。辐照作用过程的模拟：模拟系统在有辐照的情况下，SiC 原子之间以及 CNT 与 SiC 原子之间的相互作用均采用混合 Tersoff-ZBL 势函数。ZBL 势函数主要描述短程相互作用，可用于表达两碰撞原子之间的作用。其他的作用势函数与未受辐照情况下保持一致。为了模拟界面附近区域的辐照作用，入射原子可分别在距离界面 1a0，2 a0，3 a0 和 4 a0（a0 为晶格常数）的原子平面上选取多个 Si 原子（或 C 原子），赋予其不同的初始能量作为初级碰撞原子，分别随机选取不同的入射方向进行多次模拟。由于前人的研究显示级联碰撞过程的时间尺度均为皮秒量级，所以模拟采取的时间可设为几十皮秒量级。在施加辐照作用后，按照前面未受辐照情况下的相同方法计算界面热导。在理论分析和解释方面，晶格动力学是研究凝聚态结构中晶格振动（声子输运）的基础理论，能够计算得到声子的本征矢量、群速度和态密度等重要物理量，从而揭示声子输运的本质。非平衡格林函数法通过计算表征各频率声子透射率的透射频谱，可以精确纳米结构中的声子输运性质