尋找新型超硬多功能材料是物理學(xué)與材料學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。硬度測試發(fā)現(xiàn),材料主要發(fā)生體積形變和剪切形變。經(jīng)研究表明,過渡金屬有較高的價(jià)電子濃度,較強(qiáng)的抗體積形變的能力,以及有金屬、磁性等性能;輕質(zhì)元素易形成方向性極強(qiáng)的共價(jià)鍵,有較強(qiáng)的抗剪切形變的能力,因此兩者結(jié)合形成的過渡金屬輕元素化合物極有可能具有較強(qiáng)的抵抗體積形變和剪切形變的能力,有望成為超硬多功能材料。在眾多的過渡金屬輕元素體系中,過渡金屬硼化物和過渡金屬碳化物是較好的超硬多功能材料的候選體系。這兩類化合物不僅有豐富的化學(xué)配比,還具有高硬度、超導(dǎo)和磁性等多種性能。由此看來,在這兩類化合物中尋找新型的超硬多功能材料,不僅效率高,而且有望發(fā)現(xiàn)更多新穎的物理化學(xué)性質(zhì)。高壓具有使物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生相變、出現(xiàn)奇異的化學(xué)配比、增加元素間的化學(xué)活性等多種效應(yīng)。由于高壓效應(yīng)影響,可以產(chǎn)生新材料,新材料往往具有致密的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的功能性。例如金屬鈉在高壓下變成寬帶隙的絕緣體;單質(zhì)氧和硫在高壓下成為超導(dǎo)材料;我們課題組首次在高壓下發(fā)現(xiàn)了具有高溫超導(dǎo)性的H3S結(jié)構(gòu),200 GPa壓力下超導(dǎo)溫度高達(dá)200 K,并得到了國外實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。這些研究實(shí)例都可以說明高壓是發(fā)現(xiàn)新型功能材料的有效途徑�；诟邏哼@一有利條件,我們對(duì)幾種過渡金屬硼化物和過渡金屬碳化物進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。本文采用結(jié)構(gòu)搜索軟件和第一性原理計(jì)算方法,對(duì)Mn-B、Ru-C和Ti-C體系在一定壓力范圍內(nèi)的晶體結(jié)構(gòu),以及動(dòng)力學(xué)、力學(xué)、磁性、硬度等性質(zhì)進(jìn)行研究,我們發(fā)現(xiàn):1.完善了0 GPa到50 GPa壓力下Mn-B體系的零溫相圖,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)合成的Al B2型Mn B2為亞穩(wěn)相,并發(fā)現(xiàn)了高壓新相Immm-Mn B2。由電子結(jié)構(gòu)、磁性和硬度值的計(jì)算可知,Immm-Mn B2是一種具有高硬度的導(dǎo)電鐵磁性材料,硬度值為22.5 GPa,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的磁性材料。零壓下Immm-Mn B2的聲子譜沒有出現(xiàn)虛頻,以及彈性常數(shù)滿足Born-Huang穩(wěn)定判據(jù),說明Immm-Mn B2在常規(guī)條件下可以穩(wěn)定存在。由化學(xué)鍵的計(jì)算分析可得,硼原子之間的強(qiáng)共價(jià)相互作用形成了類石墨烯狀硼結(jié)構(gòu),是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高硬度的主要原因。2.首次發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定化學(xué)配比為2:3的錳硼化合物,確定了壓力下的相序,并對(duì)其材料特性進(jìn)行了研究。在200 GPa條件下,利用USPEX變組份結(jié)構(gòu)搜索方法,首次發(fā)現(xiàn)了錳硼化合物的新化學(xué)配比Mn2B3。對(duì)Mn2B3進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)研究表明,低壓條件下Mn2B3以Cmcm結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在,并在28 GPa左右轉(zhuǎn)變?yōu)镃2/m結(jié)構(gòu),通過分析化學(xué)鍵發(fā)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)中硼原子間以共價(jià)相互作用形成六元環(huán)結(jié)構(gòu),這對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和硬度起到重要作用,使得上述結(jié)構(gòu)的Mn2B3均屬于硬質(zhì)材料。隨著壓力增加到80 GPa,硼六元環(huán)發(fā)生斷裂,形成Z字形的硼鏈,晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃2/c,材料硬度也相應(yīng)發(fā)生了硬質(zhì)-軟質(zhì)的轉(zhuǎn)變。對(duì)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)和磁性計(jì)算可知,上述三種結(jié)構(gòu)均有望淬火到零壓條件,并具有金屬性和鐵磁性。其中Cmcm和C2/m結(jié)構(gòu)的Mn2B3硬度分別為26.2 GPa和18.0GPa,遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的磁性材料,是潛在的硬質(zhì)導(dǎo)電鐵磁性材料。3.研究了三種合成路徑下Ru-C體系的零溫高壓相圖,更新了Ru C的基態(tài)結(jié)構(gòu),確定了新化學(xué)配比Ru2C3和Ru C4。高壓下Ru C4發(fā)生從P-3m1到R-3m的結(jié)構(gòu)相變,相變壓力點(diǎn)為98 GPa。除了Ru C4的R-3m相,其他所有結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和力學(xué)性質(zhì)在零壓下保持穩(wěn)定。隨著碳濃度的增加,發(fā)現(xiàn)碳原子在Ru2C3中形成類石墨烯狀碳六元環(huán),在Ru C和Ru C4中形成類金剛石碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。機(jī)械性質(zhì)、德拜溫度和電子結(jié)構(gòu)的分析說明了新發(fā)現(xiàn)的釕碳化合物是具有金屬性的硬質(zhì)材料,其中Ru C和Ru C4(P-3m1)的硬度分別為25.9 GPa和26.8 GPa,高于工業(yè)上常用耐磨材料的硬度。通過研究成鍵特點(diǎn)和碳濃度與材料硬度的關(guān)系,較強(qiáng)的各向同性結(jié)構(gòu)、類金剛石碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和具有共價(jià)性的Ru-Ru成鍵導(dǎo)致了Ru C具有較高的硬度,使富碳釕碳化合物的硬度隨碳濃度增加變化不明顯。4.建立了0~100 GPa壓力范圍內(nèi)的Ti-C體系的零溫相圖。首次預(yù)測了富碳的鈦碳化合物:Ti C2、Ti C3和Ti C4,并確定三個(gè)結(jié)構(gòu)都是動(dòng)力學(xué)和力學(xué)穩(wěn)定的。我們通過對(duì)成鍵和結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn),上述結(jié)構(gòu)都是由鈦原子層和碳原子層交替堆積而成,其中碳原子層依次表現(xiàn)為褶皺的石墨烯狀碳原子層、單層類金剛石碳原子層和雙層類金剛石碳原子層,因此它們被稱為金剛石網(wǎng)絡(luò)類似物。通過對(duì)硬度值的計(jì)算,本文預(yù)測Ti C2為潛在的硬質(zhì)材料,Ti C3和Ti C4是潛在的超硬材料。由于Ti C3和Ti C4中類金剛石碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和各向同性的晶體結(jié)構(gòu),Ti C3和Ti C4硬度高達(dá)40.8 GPa和49.1 GPa,與超硬材料c-BN相當(dāng),表現(xiàn)出超硬特性。發(fā)現(xiàn)Ti C4可以作為第Ⅳ和第Ⅴ副族的結(jié)構(gòu)模型,得到了五種零壓穩(wěn)定的超硬材料TMC4(TM=V、Zr、Nb、Hf和Ta)。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

常用的靜高壓裝置

高壓對(duì)物質(zhì)的效應(yīng)示意圖

圖 1.3 常見的硬質(zhì)多過功能渡金屬化合物（a） 硬質(zhì)超導(dǎo)化合物：許多過渡金屬元素和主族輕元素形成了具有高溫超導(dǎo)功能的化合物，最典型的就是過渡金屬硼化物、碳化物以及氮化物[6-7]。WB、NbN、VN 和 ZrB12都具有

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7 成昭華;;磁性多功能材料的探索與磁熱、磁電和磁彈效應(yīng)[J];中國科學(xué):物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué);2012年07期

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9 張曉莘;諸建軍;;彩色聚氨酯多功能材料[J];建材工業(yè)信息;1993年10期

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6 張慶華;付昱晨;金碧玉;詹曉力;陳豐秋;;智能響應(yīng)超浸潤多功能材料的制備與性能研究[A];中國化學(xué)會(huì)2017全國高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)摘要集——主題A：高分子化學(xué)（2）[C];2017年

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10 崔田;;新型超硬材料的理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)合成[A];2011中國材料研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

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4 蔣淳舸;Eu替代位置及濃度對(duì)SrTiO_3陶瓷發(fā)光、介電和磁學(xué)性質(zhì)的影響[D];蘇州大學(xué);2009年

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