【摘要】：作為超高溫陶瓷的重要一員,二元過渡金屬硼化物在高超聲速飛行器以及超音速沖壓發(fā)動機(jī)的熱結(jié)構(gòu)部件中具有廣闊應(yīng)用前景。然而該類陶瓷的本征脆性和較差的抗氧化性限制了其潛在應(yīng)用。三元層狀可加工陶瓷MAX相的優(yōu)異性能提醒人們通過在二元硼化物晶格中加入一層或兩層Al原子形成三元過渡金屬硼化物MAB相以改善其脆性和抗氧化性能。Cr-A-B系MAB相由于可能形成致密的氧化物從而具有優(yōu)異抗氧化性能而成為近期的研究熱點(diǎn)。本論文針對該體系存在的主要化合物Cr2Al B2,Cr3Al B4和Cr4Al B6采用基于密度泛函理論的第一性原理方法預(yù)測該材料的基態(tài)性能和晶格動力學(xué)行為,并通過比較一個假想化合物Mo Al B型化合物Cr Al B考察了MAB相晶體結(jié)構(gòu)對材料性能的重要影響。本文利用第一性原理方法對Cr-A-B陶瓷晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算得到的晶體結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)相符。對Cr-Al-B系MAB相陶瓷態(tài)密度的計(jì)算表明在費(fèi)米能級附近均具有有限電子態(tài)密度,其具有類似于金屬的電子結(jié)構(gòu)因而是電的良導(dǎo)體。電子態(tài)密度和差分電子密度分析表明在Cr Al(Cr B2)n中B和Cr原子之間存在強(qiáng)共價鍵,而Cr-Al和B-Al鍵較弱,這預(yù)示Cr Al(Cr B2)n與MAX相具有類似的非凡性質(zhì)。MAB相的層狀本質(zhì)和類金屬鍵合以及與之相關(guān)的微納米層片分層、裂紋偏轉(zhuǎn)和橋連導(dǎo)致了該類材料具有高斷裂韌性和損傷容限。該類陶瓷表現(xiàn)出各向異性的可壓縮行為。沿著B-B鋸齒形/六角形鏈方向的具有最硬晶軸和由軟金屬夾層和剛性共價鍵之間的相互作用確定了最軟晶軸顯示了各向異性壓縮的壓縮行為。Cr Al(Cr B2)n中的彈性模量隨著Cr-B單元數(shù)n的增多而增加,但是密度并沒有增加。本文對Cr-Al-B陶瓷的晶格振動和相穩(wěn)定性進(jìn)行討論。對Cr-Al-B陶瓷的聲子的色散曲線和聲子態(tài)密度研究表明,Cr Al B、Cr2Al B2和Cr4Al B6,所有頻率都是正的(實(shí)數(shù)),表明這些相的動態(tài)穩(wěn)定性。Cr3Al B4在簡諧近似下存在虛頻。高頻聲子幾乎被B原子占據(jù),由于B原子的強(qiáng)化學(xué)鍵合和低原子質(zhì)量,而Cr和Al聲子態(tài)的頻率總是在20THz以下。利用線性規(guī)劃法對Cr-Al-B陶瓷相穩(wěn)定性的研究表明假設(shè)的Cr Al B不具有熱力學(xué)穩(wěn)定性,Cr2Al B2穩(wěn)定性最好而Cr3Al B4的穩(wěn)定性較差。Cr3Al B4和Cr4Al B6相互競爭。本論文細(xì)致研究了Cr2Al B2的晶格動力學(xué)行為及其相關(guān)的熱力學(xué)性能,包括熱膨脹、熱容、熱導(dǎo)率等。由于Cr2Al B2的高度有序堆疊,Cr2Al B2具有最高的熱導(dǎo)率。通過彎曲的B-Cr-B鍵橋接的Cr4Al B6具有相對較低的固有導(dǎo)熱率。Cr2Al B2具有明顯的各向異性膨脹性。其中沿b方向的熱膨脹明顯大于沿a和c軸方向的值。Cr2Al B2室溫到2300K的熱容可以用公式精確表示。在溫度較低時熱容增加迅速,然后線性增長。在低溫時,體積模量降低較慢,隨著溫度升高,體積模量幾乎是線性降低的。
【圖文】：

材料的結(jié)構(gòu)對其宏觀性能有著重要的影響，比如力學(xué)性能，導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性以及磁性能都與材料的微觀結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系[41]。所以材料結(jié)構(gòu)分析是理解材料性能和行為的重要起點(diǎn)。Cr3AlB4的晶體結(jié)構(gòu)最早在 1972 年被 Kuz'Ma[42]等人發(fā)現(xiàn)，測定 Cr3AlB4的晶格常數(shù) a，b，c 分別為 2.98 ，8.01 ，2.96 。Cr2AlB2的晶體結(jié)構(gòu)最早由Chaban[43]等人發(fā)現(xiàn)，，測定 Cr2AlB2的晶格常數(shù) a，b，c 分別為 5.07 ,，5.07 ，2.97 。2015 年 Ade[4]等人通過將原料粉末按一定配比在一定溫度進(jìn)行保溫的方法成功制備了 Cr2AlB2，Cr3AlB4和 Cr4AlB6，并對其晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測定。化合物CrAl(CrB2)n是與以硼基元相關(guān)的二元硼化物的簡單三元變體。它們顯示出與CrB（鋸齒形鏈），Cr3B4（六邊形鏈）和 Cr2B3（六邊形雙鏈）中分別實(shí)現(xiàn)的相同的結(jié)構(gòu)單元�？梢钥闯� CrAl(CrB2)n的晶體結(jié)構(gòu)主要由 Cr-B 層和 Cr-Al 組成，可以看成 Al 原子插入 CrB 中，B 原子之間形成鋸齒形 B-B 鏈（圖 1-2），這與MAX 相的結(jié)構(gòu)是類似的。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文以單層存在。換句話說，三元 Cr-Al-B 陶瓷可看作二元硼化物沿 b 軸方向插入單/雙層鋁原子而形成的。經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，Cr 原子和 Al 原子形成一個近似體心立方的局部排列，而 Cr-B 層仍然具有二元硼化物 CrB（CrAlB）或 CrB2（Cr2AlB2、Cr3AlB4、Cr4AlB6）的原子排列方式。在 Cr3AlB4和 Cr4AlB6，在 Cr-B 層 B 原子形成一個平面六圓環(huán)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V254.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 琚行松;趙紅麗;;LDA和GGA泛函優(yōu)化銳鈦礦相TiO_2結(jié)構(gòu)比較[J];唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào);2010年02期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 柏躍磊;燃燒合成塊體Ti_2AlC的性能表征及MAX相的第一性原理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

2 郝愛民;Hg系硫化物的高壓電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)研究[D];吉林大學(xué);2007年

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1 李瑜慶;外壓下TiN、Ti-Si-N結(jié)構(gòu)和性能的第一性原理研究[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2012年

本文編號：2679871