外壓下TiN、Ti-Si-N結(jié)構(gòu)和性能的第一性原理研究.pdf

1、納米材料對于電子、信息、新型陶瓷、生物、化工、醫(yī)藥、機械、交通、能源、國防等領域有著重要意義和廣泛的應用前景。TiN及Ti-Si-N作為硬質(zhì)薄膜涂層材料的一類代表，以其比較高的硬度、較好的耐磨性、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性吸引了廣泛的關注。在常溫零壓下，很多實驗和理論工作已經(jīng)對TiN及Ti-Si-N薄膜硬度及晶格動力學等方面開展了研究，但是對外加壓力下的性質(zhì)研究的報道卻相對較少。而實際應用中，TiN及Ti-Si-N作為一種表面強化涂層，

2、被廣泛用做耐磨材料和切削刀具。工作過程中，瞬時可能承受很大的應力，所以對TiN及Ti-Si-N在高壓環(huán)境下的相穩(wěn)定性和性能的研究具有實際的意義。本課題的研究可分兩部分：一是對外壓下TiN的研究；一是對外壓下Ti-Si-N的研究。
　　本課題采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，利用VASP和Phonopy軟件包進行了能量、彈性性質(zhì)及聲子譜方面的相關計算，并分析了不同壓力下TiN的穩(wěn)定性及相變規(guī)律。通過研究TiN的三種構(gòu)型：NaCl

3、結(jié)構(gòu)（B1）、CsCl結(jié)構(gòu)（B2）及閃鋅礦結(jié)構(gòu)（B3），分析能量-體積關系、焓-壓關系，得出：TiN在347GPa時會發(fā)生從NaCl到CsCl的結(jié)構(gòu)相變，在-17.5GPa時會發(fā)生從NaCl到閃鋅礦結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相變。并對其在不同壓力下的彈性性質(zhì)和聲子色散關系進行了研究，得到了相同的結(jié)論。應用準諧近似以及準諧德拜模型計算了NaCl結(jié)構(gòu)TiN的吉布斯自由能、振動內(nèi)能、焓、定容摩爾熱容、定壓摩爾熱容，熱膨脹系數(shù)，德拜溫度等的溫度變化曲線，對Ti

4、N在不同壓力、不同溫度下的熱力學性質(zhì)進行了探討。
　　采用相同的方法探討了Ti-Si-N的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，找到其在常壓下的穩(wěn)定構(gòu)型，從能量、彈性性質(zhì)及聲子譜穩(wěn)定性方面進行了相關研究，找到了Ti-Si-N可能的相變壓力范圍，對其在不同壓力下的穩(wěn)定性及相變規(guī)律進行了分析，并對不同壓力的熱力學性質(zhì)進行了探討，發(fā)現(xiàn)：在較高溫度下，Ti-Si-N的熱膨脹系數(shù)隨著壓力增加而減小；其熱膨脹系數(shù)比TiN大，說明在制備Ti-Si-N時要選擇合理的基底、