若干二元金屬間化合物電子結(jié)構(gòu)、彈性和熱力學(xué)質(zhì)的密度泛函研究.pdf

1、本論文的目標(biāo)是利用密度泛函理論和準(zhǔn)近諧德拜理論，研究具有典型代表性的二元金屬間化合物的電子結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)和彈塑性力學(xué)等性能，以及替位摻雜對(duì)材料性能的影響。本文計(jì)算了高溫結(jié)構(gòu)金屬間化合物Ti-Al二元系及其Mn、Nb摻雜體系的彈塑性、彈性模量、電子結(jié)構(gòu)等，分析了替位摻雜對(duì)幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和鍵強(qiáng)的影響；計(jì)算了Al-Sc系四個(gè)二元相的電子結(jié)構(gòu)、生成焓、德拜溫度、彈性系數(shù)(含模量)和自由能，分析了AlSc和Al3Sc在高壓下的彈性性質(zhì)；計(jì)算了T

2、i-B系的電子結(jié)構(gòu)和TiBx(x=1、2，常壓下)及Ti1-xZrxB2(高壓工況下)的力學(xué)參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)，分析了壓力變化對(duì)Ti-Zr-B金屬間化合物體系的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)的影響，如彈性系數(shù)、各項(xiàng)異性、德拜溫度和熱熔等；設(shè)計(jì)并計(jì)算了新型超導(dǎo)材料Mg1-xZnxB2的電子結(jié)構(gòu)和彈性系數(shù)等，并在推導(dǎo)得到的基于Mc-Millan公式的Tc從頭算公式基礎(chǔ)上，計(jì)算了不同Zn摻雜情況下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc，并分析了Zn摻雜對(duì)Mg-Zn-B金屬間化合

3、物體系力學(xué)性能的影響。
　　 本文較為系統(tǒng)的計(jì)算了上述二元體系及其摻雜系的電子態(tài)密度、體彈模量B、彈性系數(shù)Cij、德拜溫度ΘD、生成焓H0、結(jié)合能Ecoh、熱熔、自由能和Tc參量等，計(jì)算數(shù)據(jù)與已知可對(duì)比的試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合良好，許多計(jì)算結(jié)果和分析結(jié)論具有獨(dú)創(chuàng)性和良好的理論指導(dǎo)價(jià)值。主要的研究結(jié)果表明：
　　 四方相TiAl中的Nb替位Ti的摻雜，在幾何結(jié)構(gòu)上對(duì)體系塑性性能的影響不大，但電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和布局分析表明，Nb摻雜降低了

4、體系共價(jià)性和方向性，并提出當(dāng)Nb摻雜的摩爾含量在8.33％-12.5％時(shí)有利于室溫塑性的改善。Mn替Al位摻雜TiAl3后(Ti3Al8Mn)降低了由Al-Al共價(jià)鍵和Al2p-Ti3d雜化鍵形成所帶來(lái)的鍵的空間各向異性和高位錯(cuò)能壘，進(jìn)而也改善其室溫脆性。
　　 Al-Sc系二元化合物中Al2Sc和Al3Sc結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定。OK時(shí)Al2Sc合金化形成能力最強(qiáng)，AlSc2最差；高溫下Al2Sc結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最強(qiáng)，而AlSc2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最

5、差。研究了高壓下的立方相AlSc和Al3Sc的彈性系數(shù)對(duì)壓力具有相似的敏感性。由于Al3Sc的各向異性弱于AlSc，因此隨壓力的增高，Al3Sc的脆塑性轉(zhuǎn)變程度不大，AlSc體系的脆塑性則較大的依賴(lài)于壓力的變化，隨著壓力的增大其塑性性能提升。
　　 TiB2的電子成鍵情況較之TiB更為復(fù)雜，研究發(fā)現(xiàn)，TiB2的價(jià)帶顯示了明顯的拋物線(xiàn)形和類(lèi)sp帶的特征，且非局域程度及其共價(jià)性也比TiB大。壓力作用下，六方TiB2和Ti1-xZrx

6、B2的彈性系數(shù)敏感度存在差異，摻Zr體系的剪切各向異性因子A2存在“躍變”現(xiàn)象，且壓力對(duì)體系脆.塑轉(zhuǎn)變起到了重要推動(dòng)作用；另一方面，Zr的摻雜也降低了TiB2的各向異性，體系延塑性逐漸增大，但整體仍呈現(xiàn)出脆性性質(zhì)。熱力學(xué)方面，重新較為系統(tǒng)的估算了Ti-B和Ti-Zr-B系的熱力學(xué)參量，計(jì)算表明，TiB熱熔值在所有溫度下都是最大的，TiB2最小，而Ti1-xZrxB2得熱熔值則居于兩者之間；隨著壓力的增大，Ti1-xZrxB2各相的德拜溫

7、度近似線(xiàn)性增大，并且德拜溫度值隨著Zr摻雜量的增大而逐步降低。
　　 較為系統(tǒng)的對(duì)超導(dǎo)二元化合物MgB2進(jìn)行了摻Zn的計(jì)算研究，結(jié)果表明，隨著Zn量的增大，體系的晶格參數(shù)a和c明顯拉長(zhǎng)，且呈現(xiàn)出先增大后減小的情況；對(duì)于電子結(jié)構(gòu)，純態(tài)的MgB2費(fèi)米面處主要是B原子的P電子共價(jià)成鍵，Mg2+離子降低了π帶，使B原子形成近滿(mǎn)的空穴型σ?guī)?，進(jìn)而增強(qiáng)了電聲耦合作用；Zn摻雜后，影響了費(fèi)密能級(jí)處的總態(tài)密度Ef等，直接影響了MgB2聲子頻率和

8、電聲耦合強(qiáng)度，研究認(rèn)為Zn的替位摻雜有利于超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc的增大。采用自行推導(dǎo)得到的Tc公式計(jì)算表明，隨著Zn量的增多，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc先逐步升高，即當(dāng)Zn摻雜量x值為0.0833和0.125時(shí)，體系的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度分別上升0.716K和0.108K，而當(dāng)Zn含量繼續(xù)增大時(shí)，體系的超導(dǎo)機(jī)制部分破壞從而Tc迅速降低。同時(shí)，隨著Zn摻雜量的增大，體系的剪切各項(xiàng)異性A2和壓縮各項(xiàng)異性A3整體呈現(xiàn)微弱的下降趨勢(shì)，當(dāng)Zn摻雜量x為0.14左右時(shí)，體