金屬碳化物力學和熱力學性質第一性原理研究.pdf

1、二元金屬碳化物有著豐富的晶格結構形式和優(yōu)異的物理化學性能，因而在物理學、化學、材料科學及地球科學中有著巨大的應用價值。利用基于密度泛函理論（Density functional theory）的第一性原理計算方法，本論文研究了稀土金屬碳化物Yb-C系統(tǒng)和堿土金屬碳化物Ca-C系統(tǒng)的力學和熱力學性質。論文主要研究了兩方面的問題：一是研究了Habburd U值對計算Yb-C系統(tǒng)（其中包括Fm-3m相的YbC、I-43d相的Yb2C3、I4/

2、mmm相的YbC2和P63/mmc相的YbC6）力學和熱力學性質的影響；二是研究了壓強對堿土金屬碳化物Ca-C系統(tǒng)（其中包括C2/m相的Ca2C3、C2/m相和Pnma相的Ca2C）力學性質的影響。
　　4f電子的關聯(lián)效應對于稀土金屬碳化物的電子結構和熱力學性質有重要的作用。本論文中，我們運用了GGA+U的方法，計算了4f電子在不同Hubbard U值修正下，YbC、Yb2C3、YbC2和YbC6的力學和熱力學性質。結果表明，四種

3、鐿碳化物的晶格常數(shù)明顯地伴隨著U值的增大而增大，相反的，它們的彈性常數(shù)多數(shù)隨著Hubbard U值的增大而減小。采用VRH近似（Voigt-Reuss-Hill approximation），我們計算了四種鐿碳化物的體彈模量B、楊氏模量E和剪切模量G，并發(fā)現(xiàn)它們的值與Hubbard U值也表現(xiàn)出明顯的相關性。YbC6的B、E和G的值在四種碳化物中最大而呈現(xiàn)出質地硬和脆的力學特性，而YbC2則呈現(xiàn)出質地軟和易延展的力學特性。利用各向異性指

4、數(shù)和因子，我們分析了四種鐿碳化物的力學各向異性。聲子譜計算發(fā)現(xiàn)，只有YbC2和YbC6是動力學穩(wěn)定相，這與實驗的結論是一致的。
　　壓強能改變材料中原子之間的成鍵特性從而帶來材料物理性能的改變。本論文中，我們研究了不同壓強下C2/m相的Ca2C3（ C2/m-Ca2C3）、C2/m相的Ca2C（C2/m-Ca2C）和Pnma相的Ca2C（Pnma-Ca2C）的力學性質。它們的彈性常數(shù)C11、C22和C33的數(shù)值伴隨著壓強呈現(xiàn)出增長

5、趨勢，且0到30GPa下的C2/m-Ca2C3、0到7.5GPa下的C/2m-Ca2C和7.5到30GPa下的Pnma-Ca2C都符合Born-Huang晶格動力學穩(wěn)定標準。它們的體彈模量B、楊氏模量E和剪切模量G都隨著壓強的升高而升高。各向異性百分比分析表明三種鈣碳結構的各向異性隨著壓強的升高而增大。此外，C2/m-Ca2C的彈性模量B和E以及各向異性百分比AB在5至7GPa壓強范圍內增長趨勢幾乎消失，這預示著相變的產生。