超硬材料IrN2和BC5力學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算.pdf

1、隨著材料科學(xué)的發(fā)展,超硬材料的研究已經(jīng)成為當(dāng)前熱點(diǎn)之一。超硬材料具有高彈性模量和硬度,有較好的熱傳導(dǎo)性、抗劃性、表面耐久力和穩(wěn)定性等優(yōu)異的性質(zhì),因而在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前研究超硬材料的方法有二:過渡金屬的C、B、N、O共價(jià)化合物;由C、B、N、O等輕元素組成的強(qiáng)共價(jià)鍵作用化合物。通過這兩種方法以尋求可與金剛石和立方氮化硼相比擬的新型超硬材料。
　　 本文首先采用平面波贗勢(shì)密度泛函理論方法計(jì)算了IrN2白鐵礦相的晶

2、體結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì),同時(shí)分析了該材料的電子結(jié)構(gòu),所得彈性常數(shù)滿足力學(xué)穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn),與其他相關(guān)理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值符合較好。在零壓下計(jì)算所得白鐵礦相IrN2體模量為400GPa,可以間接預(yù)測(cè)白鐵礦相的IrN2是一種超硬結(jié)構(gòu),同時(shí)計(jì)算得到的各向異性參數(shù)說明白鐵礦相IrN2在研究壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)各向異性,具有良好的延性和金屬性。
　　 再次,使用同樣的計(jì)算理論對(duì)0～60GPa靜水壓下BC5六角晶系P3m1和四方晶系I-4m2結(jié)構(gòu)的平衡態(tài)晶格常

3、數(shù)、彈性常數(shù)、彈性模量、彈性各向異性以及表征中心力和非中心力的泊松比與Cauchy擾動(dòng)進(jìn)行研究。所得結(jié)果顯示,BC5的兩種結(jié)構(gòu)在高壓下是穩(wěn)定的,以及不可壓縮性隨著壓強(qiáng)的增加而增強(qiáng)。通過對(duì)各向異性參數(shù)分析可知,壓力的增加改變了P3m1結(jié)構(gòu)的各向異性,使得其壓縮波各向異性降低,剪切波的各向異性有所增強(qiáng)。通過對(duì)硬度的模擬計(jì)算,得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的結(jié)論。在對(duì)平衡結(jié)構(gòu)和硬度的理論研究中無法對(duì)兩種結(jié)果的不可壓縮性進(jìn)行比較,只有楊氏模量顯示I-4m

4、2結(jié)構(gòu)的不可壓縮性要高于P3m1結(jié)構(gòu)。BC5的泊松比與Cauchy擾動(dòng)隨壓強(qiáng)的變化說明原子間相互作用力為非中心力。另外,對(duì)其電子結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了計(jì)算,由計(jì)算結(jié)果可知,BC5存在一個(gè)較寬的帶隙,兩種原子間有較強(qiáng)的共價(jià)雜化,材料的性質(zhì)主要由B的2p1和C的2p2態(tài)電子共同決定。與其他BC化合物有明顯的不同,成為可能在高溫條件下應(yīng)用的潛在的超硬材料。同時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)材料的帶隙和費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度幾乎沒有影響,只引起微小的漂移,可以進(jìn)一步推斷材料在