1、自然科學基金委員會資助項目計劃書資助類別：青年科學基金項目亞類說明：附注說明：項目名稱：核用碳化硅復合材料的界面熱導優化及輻照環境下的導熱機理研究直接費用：20萬元執行年限：2017.01-2019.12：鄧程程通訊地址：省市洪山區珞喻路1037號：430074：電子郵件：dengcc依托：華技大學人：游超：填表日期：2016年08月24日自然科學基金委員會制Version：1.009.370項目批準號51606072申請代碼E060301歸口管理部門依托代碼43007408A0502-0936自然科學基金項目計劃書自然科學基金委員會資助項目計劃書填報說明一、項目收到關于自然科學基金資助項目批

2、準及有關事項（以下簡稱批準通知）后，請認真閱讀本填報說明，參照自然科學基金相關項目管理辦法及會和提交自然科學基金資助項目資金管理辦法（請查閱自然科學基金委員首頁“政策”-“管理辦法”欄目），按批準通知的要求認真填寫自然科學基金委員會資助項目計劃書（以下簡稱計劃書）。二、填寫計劃書時要求科學嚴謹、實事求是、表述清晰、準確。計劃書經自然科學基金委員會相關項目管理部門審核批準后，將作為項目研究計劃執行和檢查、驗收的依據。三、計劃書各部分填寫要求如下：（一） 簡表：由系統自動生成。（二） 摘要及：各類獲資助項目都必須填寫中、英要及。（三） 項目組主要成員：計劃書中列出姓名的項目組主要成員由系統自動生成

3、，與申請書原成員保持一致，不可隨意調整。如果批準通知中“項目評審意見及修改意見表”中“對研究方案的修改意見”欄目有調整項目組成員相關要求的，待項目開始執行后，按照項目成員變更程序另行辦理。（四） 資金預算表：按批準資助的直接費用填報資金預算表和預算說明書，其中的勞務費、咨詢費金額不應高于申請書中相應金額。科研儀器研制項目、項目還應按照預算評審后的直接費用各科目金額填報資金預算表、預算說明書及相應的預算明細表。（五） 正文：1.面上項目、青年科學基金項目、地區科學基金項目：如果批準通知中沒有修改要求的，只需選擇“研究內容和研究目標按照申請書執行”即可；如果批準通知中“項目評審意見及修改意見表”中

4、“對研究方案的修改意見”欄目明確要求調整研究期限和研究內容等的，須選擇“根據研究方案修改意見更改”并填報相關修改內容。2.重點項目、重點國際（地區）合作研究項目、項目、科研儀器研制項目：須選擇“根據研究方案修改意見更改”，根據批準通知的要求填寫研究（研制）內容，不得自行降低、更改研究目標（或儀器研制的技術性能與主要技術指標以及驗收技術指標）或縮減研究（研制）內容。此外，還要突出以下幾點：（1）研究的難點和在實施過程中可能遇到的問題（或儀器研制風險），擬采用的研究（研制）方案和技術路線；（2）項目主要參與者分工，合作研究明課題之間的關聯；（3）詳細的年度研究（研制）計劃。之間的關系與分工，項目還

5、需說第1頁自然科學基金項目計劃書3.杰出青年科學基金、優秀青年科學基金和海外及學者合作研究基金項目：須選擇“根據研究方案修改意見更改”，按下列提綱撰寫：（1）研究方向；（2）結合國內外研究現狀，說明研究工作的學術思想和科學意義（限兩個頁面）；（3）研究內容、研究方案及預期目標（限兩個頁面）；（4）年度研究計劃；（5）研究隊伍的組成情況。對于其他類型項目，參照面上項目的方式進行選擇和填寫。4.第2頁自然科學基金項目計劃書簡表第3頁申請者信息姓名鄧程程出生年月1987年03月女學位博士講師電話電子郵件dengcc傳真個人網頁工 作華技大學所 在 院 系 所能源與動力依托單位信息名稱華技大學代碼43

6、007408A0502聯系人游超電子郵件kjcjcb電話地址合作單位信息單位名稱代碼項目基本信息項目名稱核用碳化硅復合材料的界面熱導優化及輻照環境下的導熱機理研究資助類別青年科學基金項目亞 類 說 明附注說明申請代碼E060301:熱傳導E0608:工程熱物理相關交叉領域基地類別執行年限2017.01-2019.12直接費用20萬元自然科學基金項目計劃書項目摘要第4頁中 要(500字以內)：碳化硅復合材料是先進核反應堆中一種極具應用前景的候選材料，其導熱性能是影響反應堆熱量載出的關鍵因素。然而傳統的碳化硅復合材料一般難以達到核能服役下的高熱導率要求。對復合材料中 與基體之間的界面層進行改進是一

7、種提高熱導率的有效方式。本項目引入碳納米管高熱導材料替代傳統的界面層材料，采用 動力學模擬方法，建立兩種新的碳納米管界面層結構（內插式雙套管結構和彎折靠背結構），探索能夠有效增強導熱效果的優化界面層設計思路。在此基礎上，研究輻照的級聯碰撞過程引起界面層的結構損傷，進而系統地分析不同的輻照缺陷類型和輻照劑量對界面熱導的影響規律，結合晶格動力學、非平衡格林函數方法以及中子輻照理論，揭示輻照效應對碳化硅復合材料界面熱輸運的作用機理。本項目在納米尺度水平從本質上探究核用材料的熱學問題，研究結果不僅能夠促進碳化硅復合材料熱學性質的基礎研究，而且為其在未來核領域中的應用提供理論參考依據。：碳化硅復合材料；

8、碳納米管；界面熱導；輻照環境；熱輸運機理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自然科學基金項目計劃書項目組主要成員第5頁編號學位名稱證件號碼項目分工每年工作時間（月）出生年月1鄧程程1987.03女講師博士華技大目62安盟1989.06男博士生華技大擬計算與理論分析63廖全文1990.10男博士生華技大

15、擬計算和理論分析64余曉翔1994.08男生學士華技大型建立和模擬計算95張瑩瑩1992.11女生學士華技大型建立與模擬計算96成卓1989.12男生學士華技大值計算和分析9總人數高級中級初級博士后博士生生6123自然科學基金項目計劃書自然科學基金項目直接費用預算表（定額補助）金額項目批準號： 51606072項目：鄧程程：萬元第6頁序號科目名稱金額1一、 項目直接費用20.000021、 設備費0.00003(1)設備購置費0.004

16、(2)設備試制費0.005(3)設備改造與租賃費0.0062、 材料費0.0073、 測試化驗費4.500084、動力費0.0095、 差旅/會議/國際合作與交流費6.5000106、/文獻/信息/知識產權事務費2.7000117、 勞務費5.7000128、咨詢費0.6000139、 其他0.0014二、 自籌資金0.0000自然科學基金項目計劃書預算說明書（定額補助）第7頁（請按自然科學基金項目資金預算表編制說明中的要求，對各項的主要用途和測算理由及合作研究外撥資金、單價10萬元的設備費等內容進行詳細說明，可根據需要另加附頁。）3. 測試化驗費（4.50 萬）：因 項目需要大量模擬計算，需

17、要進行一些多核并行、大內存和長時間的計算，將在基金支持下到超級計算中心交費 的計算 ，從而大幅度提高課題組計算能力。用于 超算中心（ ）的計算機時費用。計算依據以往的租賃合同中 36 個核的價格是 1.5 萬/年，三年共計 4.5 萬元。5. 差旅費/會議/國際合作與交流費：（6.50 萬）：(1) 用于項目成員在國內開會和學術 交流的差旅費和交通費。由于本項目屬于前沿基礎研究，有必要積極參加重要的學術會議和開展學術 交流，有助于 學習和宣傳研究成果。按照平均每年 5 人次，約 0.3 萬元/ 人次，每年共約 1.5 萬元，三年共 4.5 萬元。(2) 用于支持項目成員出國參加 會議及學術交流

18、的 費、交通費和住宿費。計劃支持 1 人次出國參加會議和 交流，約 2 萬/次，共計 2 萬元。以上共計 6.5 萬元。6./文獻/信息/知識產權事務費（2.70 萬）：用于項目研究過程中需要支付的 版面費、 資料費、文印費。項目中擬 5 篇 ，版面費約每篇 0.3 萬元，共計 1.5 萬元。另外，項目組在研究過程中需要用到的 資料費約 0.2 萬元/年*3 年=0.6 萬元，文印費約 0.2 萬元/年*3 年=0.6 萬元。以上共計約 2.7 萬元。7. 勞務費（5.70 萬）：用于支付參加項目的的勞務費用（助研津貼）。參加本項目的有 2 名博士生和 3 名生，根據本校助研津貼標準和個人工作

19、時間：博士生每人 0.5 萬/年*2 人*3 年=3 萬；生每人 0.3 萬/年*3 人*3 年=2.7 萬； 共計 5.7 萬元。8.咨詢費（0.60 萬）：用于支付給臨時聘請的咨詢的費用。由于項目涉及交叉學科的前沿探索研究，有必要向國內外進行咨詢學習，幫助解決科研過程中的難題。咨詢方式分為會議咨詢和通訊咨詢兩種：會議咨詢 2 人次/年、支付標準按照 800 元/人次；通訊咨詢 4 人次/年、支付標準按照 100 元/人次。咨詢費每年 0.2 萬元，三年共計 0.6 萬元。項目簽字：科研部門公章：財務部門公章：自然科學基金項目計劃書報告正文一、 對函評的意見或建議說明：1. 第一個擬解決的關

20、鍵科學問題是對CNT界面層進行優化，缺乏說服力； 研究方案方面，建議該項目同時也采用第一性原理對其進行研究，可相互比對。說明：本項目擬解決的第一個關鍵科學問題是引入不同結構的 CNT 界面層來優化提高碳化硅復合材料的界面熱導。在項目報告中已詳細提出建立內插式 雙套管結構和彎折靠背結構這兩種新的 CNT 結構模型，試圖探索能夠有效增強碳化硅復合材料導熱性能的新型界面層設計思路和科學依據。在研究方案方面，根據 建議也嘗試采用第一性原理進行研究，以提高模擬結果的準確性。2. 在預期的研究成果方面，應有在國際期刊上的要求。說明：項目的預期研究成果已按照的指標。建議明確給出了在國際期刊上SCI3. 相比

21、于那些理論模擬，實驗研究可能更為可靠。但申請人所提的套管結構能否實現？表面生長的碳納米管實際不是一根根直立的，而是如頭發狀東倒西歪，兩邊如何對得上插得進？說明：正如評議面生長的碳納米管對接所指出的，目前確實很難在實驗中實現將兩個不同表形成套管結構，但是目前已有技術能夠實現將兩個不同直徑的碳納米管連接起來。本項目主要通過模擬計算來探索提高界面熱導的結構設計思路，模擬結果將為未來的實驗研究提供參考依據。二、 以下為根據意見修改后的報告內容：1. 研究內容本項目擬開展核用SiCf/SiC復合材料的界面熱導優化及其在輻照特殊環境下的導熱機理研究，具體研究內容如下：(1) 引入不同結構的CNT納米材料提

22、高SiCf/SiC復合材料的界面熱導。由于CNT具有非常好的熱學和力學特性，是一種極具潛質的新型界面層材料。本課題擬引入CNT納米材料替代傳統的SiCf/SiC復合材料中與基體之間第8頁自然科學基金項目計劃書的界面層，采用動力學模擬方法，研究CNT界面層的不同結構對提高SiCf/SiC復合材料的界面熱導的影響規律，并理論分析界面處的熱傳導機理。從提高熱導率的角度，對SiCf/SiC復合材料的界面層進行優化設計。該部分內容擬建立以下兩種CNT界面層結構分別進行界面熱導的優化：(a)采用內插式雙套管結構的CNT作為界面層，并加入管間碳原子成鍵連接來提高界面熱導。(b)利用彎折靠背結構的CNT作為界

23、面層，通過彎折后的回復應力增大界面間的相互作用來提高界面熱導。(2) SiCf/SiC復合材料的界面在輻照環境下的導熱機理。界面的輻照穩定性是決定SiCf/SiC復合材料整體性能的重要因素。界面結構一般更容易產生輻照缺陷損傷，進而是影響復合材料導熱性能的薄弱環節。本課題擬研究引入CNT之后的SiCf/SiC復合材料的界面在受中子輻照作用后的級 聯碰撞過程，進而引起的輻照結構損傷（產生空位、間隙或缺陷團簇等）。在此基礎上，對典型的輻照缺陷類型及不同輻照劑量（缺陷濃度）對CNT-SiC界面熱導產生的影響規律進行分析。結合晶格動力學和非平衡格林函數方法以及中子輻照理論，揭示碳化硅復合材料的界面結構在

24、輻照環境下的熱輸運機理。2. 研究方案和技術路線本項目總體上采用數值模擬和理論分析相結合的方法研究核用碳化硅復合 材料的導熱性能。首先，采用 動力學模擬方法，對不同結構的 CNT 作為界面層的碳化硅復合材料的熱輸運過程進行模擬計算，研究其對界面熱導的影響規律；然后，對模擬系統施加核輻照的作用，模擬中子輻照的級聯碰撞過程， 獲得微觀結構輻照損傷的結果；最后，利用晶格動力學和非平衡格林函數方法，并結合中子輻照理論，對發現的新現象和問題進行合理的解釋，分析輻照效應對界面熱傳導的作用機理。每個研究內容制定的具體研究方案如下：(1) 引入不同結構的 CNT 納米材料提高 SiCf/SiC 復合材料的界面

25、熱導：本項目引入CNT納米材料作為SiCf/SiC復合材料的界面層，采用動力學模擬方法，研究不同結構的CNT界面層對提高SiCf/SiC復合材料界面熱導的影響規律。擬建立兩種結構模型分別進行界面熱導的優化：(a) 采用內插式雙套管結構的CNT作為界面層，并加入管間碳原子成鍵連接提高界面熱導（如圖1所示）。(b) 利用彎折靠背結構的CNT作為界面層，通過彎折后的回復應力增大界面間的第9頁自然科學基金項目計劃書相互作用來提高界面熱導（如圖2所示）。(a) 橫截面結構(b) 軸向原子結構（黃色為 Si 原子，圖 1 內插式雙套管模型結構示意圖為 C 原子）圖 2 彎折靠背模型結構示意圖模擬過程描述：

26、在模擬系統中，在軸向方向采用固定式邊界條件，在其他兩個方向采用周期性邊界條件。SiC 原子之間以及 CNT 與 SiC 原子之間的相互作用均采用 Tersoff 勢函數；CNT 原子之間相互作用采用 AIREBO 勢函數；非成鍵作用的不同 CNT 之間采用 Lennard-Jones 勢函數。在初始模型弛豫階段，采用NPT 系綜，并使用 Langevin 熱浴，使模型達到所需的平衡溫度。在 NPT 松弛之后，系統轉換為 NVE 系綜來計算界面熱導。在被研究結構兩端加入高溫熱源和低溫熱沉，從而在結構中形成溫度梯度和從高溫向低溫傳輸的穩定熱流 JQ。沿系統軸向等距離劃分多個薄片來里葉定律，界面熱導

27、可表示為：溫度分布，界面處的溫差記為 T。根據傅G = JQ / ( ADT )(2) SiCf/SiC 復合材料的界面在輻照環境下的導熱機理：首先，采用動力學模擬上述不同結構的 CNT 與 SiC 之間形成的界面在受輻照作用后的級聯碰撞過程，利用位置法和徑向分布函數法等分析輻照缺陷的分布情況（包括空穴、間隙和缺陷團簇等）。然后在此基礎上，對典型的輻照缺陷類型以及不同的輻照劑量對 CNT-SiC 界面熱導產生的影響進行系統地比較和分析。最后，綜合分析 CNT-SiCf/SiC 復合材料在未受輻照和受輻照作用第10頁自然科學基金項目計劃書后界面熱導的變化規律，結合晶格動力學和非平衡格林函數方法以

28、及中子輻照理論，研究揭示該復合材料的界面在輻照作用下熱輸運過程的物理機理。輻照作用過程的模擬：模擬系統在有輻照的情況下，SiC 原子之間以及 CNT 與 SiC 原子之間的相互作用均采用混合 Tersoff-ZBL 勢函數。ZBL 勢函數主要描述短程相互作用，可用于表達兩碰撞原子之間的作用。其他的作用勢函數與未受輻照情況下保持一致。為了模擬界面附近區域的輻照作用，入射原子可分別在距離界面 1a0，2 a0，3 a0 和 4 a0（a0 為晶格常數）的原子平面上選取多個 Si 原子（或 C 原子），賦予其不同的初始能量作為初級碰撞原子，分別隨機選取不同的入射方向進行多次模擬。由于前人的研究顯示級聯碰撞過程的時間尺度均為皮秒量級，所以模擬采取的時間可設為幾十皮秒量級。在施加輻照作用后，按照前面未受輻照情況下的相同方法計算界面熱導。在理論分析和解釋方面，晶格動力學是研究凝聚態結構中晶格振動（聲子輸運）的基礎理論，能夠計算得到聲子的本征矢量、群速度和態密度等重要物理量，從而揭示聲子輸運的本質。非平衡格林函數法通過計算表征各頻率聲子透射率的透射頻譜，可以精確納米結構中的聲子輸運性質