鋁基金屬間化合物電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、鋁基金屬間化合物有諸多優(yōu)異的性能如低密度、高的比強(qiáng)度、優(yōu)異的抗氧化和耐腐蝕性,在航空航天、國防軍工及日常生活用品中得到廣泛的應(yīng)用。近年來的大量研究表明,電子結(jié)構(gòu)決定材料的力學(xué)性質(zhì)?？紤]實(shí)驗(yàn)條件的限制如實(shí)驗(yàn)方法上的缺陷、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的昂貴,實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性,這些因素使得測試結(jié)果不準(zhǔn)確,實(shí)驗(yàn)上對鋁基金屬間化合物的研究較少,從電子層次上對鋁基金屬間化合物的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究則更少。而在原子、電子尺度上基于密度泛函理論的第一性原理方法能準(zhǔn)確地預(yù)測物質(zhì)

2、的各種性質(zhì)。本論文運(yùn)用了基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法研究了鋁基金屬間化合物的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)。論文主要分為兩部分:第一部分詳細(xì)分析了Al-Cu金屬間化合物的電子結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系;第二部分研究了點(diǎn)缺陷對立方結(jié)構(gòu)鋁基金屬間化合物電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的影響。具體內(nèi)容如下:
　　1.基于密度泛函理論的第一性原理方法研究了鋁銅系列中幾種重要金屬間化合物(Al2Cu、Al3Cu2和AlCu3)的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)。通

3、過計(jì)算它們的表面電子功函數(shù)、延展性、電子態(tài)密度和電荷密度,定性地解釋了其延展性的差異。并進(jìn)一步探討了合金電子結(jié)構(gòu)與延展性之間的關(guān)系,特別是電子功函數(shù)同合金材料脆性或延展性之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn):延展性隨著金屬間化合物電子功函數(shù)的增加而減小,除了AlCu3。這主要?dú)w因于電荷的轉(zhuǎn)移,一方面由于銅的電負(fù)性大于鋁的電負(fù)性,在原子弛豫的時(shí)候,會使原子從電負(fù)性小向電負(fù)性大的銅原子移動(dòng),從而引起電荷分布的變化,電荷分布的變化又引起表面偶極子勢的增加,因

4、而使得電子功函數(shù)增加;另一方面材料的力學(xué)性能由電荷密度分布的均勻性和對稱性來決定,對稱性越好,說明材料的可塑性越好。
　　2.基于第一性原理研究點(diǎn)缺陷對立方結(jié)構(gòu)鋁基合金電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的影響。計(jì)算了空位下的晶格常數(shù)和平衡體積,發(fā)現(xiàn)計(jì)算得到的平衡晶格常數(shù)與實(shí)驗(yàn)值吻合較好;點(diǎn)缺陷形成能的計(jì)算表明AlCu3比AlNi3更易形成空位;形成能和結(jié)合能的研究表明Al7Cu24和Al7Ni24具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和延展性;楊氏模量、切變模量、