[发明专利]一种氮化物基高温透波材料微波介电函数的计算方法

说明书

本发明公开了一种氮化物基高温透波材料微波介电函数的计算方法，具体过程为基于第一性原理分子动力学，计算出不同温度条件下原子的轨迹，受力以及能量信息；结合深度神经网络对原子能量，位移和受力信息进行训练拟合出高温下的深度学习势；基于深度学习势进行分子动力学模拟计算得到偶极矩信息，然后基于线性响应理论对体系偶极矩的自相关函数进行傅里叶变换得到极化弛豫时间，进而应用柯尔‑柯尔(Cole‑Cole)公式计算得到氮化物透波材料的介电函数。本发明实现了高精度大尺度的分子动力学模拟，能够准确预测大时间尺度极化弛豫过程，且规避了利用经验势模拟计算带来的误差，极大程度上降低了第一性原理计算的计算时间和运算成本。

技术领域

本发明涉及一种高温介电常数的计算方法，尤其是一种氮化物基高温透波材料微波介电函数的计算方法。

背景技术

超声速飞行技术引起的气动加热使热透波材料表面温度迅速上升，同时热量还会向材料内部传递，形成沿厚度方向的温度梯度。温度、物态和外形的变化会直接引起材料介电性能和透波性能的变化。因具备耐高温、高强度、透波等优异的综合性能，氮化物基陶瓷成为高温透波构件的主要候选材料。但受限于实验测量困难，导致氮化物透波材料高温介电参数数据匮乏，无法为实际工程应用提供有利支持。

现有技术中有两种方法可以计算介电函数，一种是经典分子动力学模拟，该方法利用经验性的相互作用势函数计算得到体系的时变系统偶极矩，并基于线性响应理论对系统偶极矩的自相关函数进行傅里叶变换以得到极化弛豫时间，进而应用柯尔-柯尔关系式计算介电函数，此种方法所采用的经验势函数高温条件下精度较低，无法准确的预测高温条件下体系偶极矩的变化，故而无法预测氮化物材料高温介电函数；经典分子动力学只关注了原子核的运动过程，对电子的量子性质进行了经验化处理，无法给出准确的偶极矩计算结果，进而影响介电函数的准确性。

另一种方法是第一性原理分子动力学方法，该方法将密度泛函理论同经典分子动力学方法相结合，无需借助经验势函数，采用分子动力学方法模拟原子核的运动，原子间势能则根据密度泛函理论求解电子薛定谔方程得到，基于第一性原理分子动力学方法可以得到更为准确的时变系统偶极矩，在对其自相关函数进行傅里叶变换后即可得到极化弛豫时间，进而求得介电函数。由于微波段氮化物透波材料的介电特性与其电偶极矩的取向极化息息相关，而极化弛豫的时间跨度较大(皮秒到纳秒)，第一性原理方法虽然具有精度高优势，但其计算过程复杂，模拟时长仅能达到皮秒级别，难以达到极化弛豫所在的时间尺度；第一性原理分子动力学方法涉及到求解电子薛定谔方程，计算求解难度大，很难实现数千原子体系的计算模拟，因此计算体系的尺度受到限制。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种氮化物基高温透波材料微波介电函数的计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种氮化物基高温透波材料微波介电函数的计算方法，包括如下步骤：

步骤1，构建初始训练集：通过第一性原理分子动力学分别模拟氮化物在高温状态下结构演化过程，并记录过程中的原子轨迹、受力、能量信息；

步骤2，结合深度神经网络对步骤1所得的原子轨迹、受力、能量信息进行训练拟合出高温下的深度学习势；

步骤3，深度学习分子动力学模拟：基于步骤2中的深度学习势进行分子动力学模拟，得到偶极矩自相关函数；

步骤4，介电函数计算：根据步骤3所得到的偶极矩自相关函数计算弛豫时间，根据弛豫时间计算氮化物高温介电函数。

上述的一种氮化物基高温透波材料微波介电函数的计算方法，所述步骤1的具体步骤为：

步骤1.1，选择合适的氮化物晶胞结构，并根据研究体系对晶胞结构进行扩胞操作；

步骤1.2，选择Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)算法对氮化物初始结构进行结构优化；