發(fā)布時間：2017-05-04 15:12

  本文關(guān)鍵詞：過渡金屬硼化物的物理性能的第一性原理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：過渡金屬硼化物具有非常突出的物理化學(xué)性質(zhì),比如:高的硬度、超不可壓縮性質(zhì)和良好的熱力學(xué)穩(wěn)定性等。因此,過渡金屬硼化物被認為是潛在的超硬材料并且引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。本文運用第一性原理方法研究了過渡金屬硼化物的晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)。主要研究結(jié)果如下:(1)采用CASTEP模塊研究了5d過渡金屬三硼化物TMB3(TM=Hf-Au)的電子結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)、力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)等。每個化合物,我們考慮了五種結(jié)構(gòu),分別為m-Al B2、Os B3、Fe B3、WB3和Tc P3結(jié)構(gòu)。通過計算生成焓預(yù)測了化合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性,從Ta B3到Au B3生成焓的整體趨勢是逐漸增加的。聲子譜的計算結(jié)果表明,在其最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)下每一種TMB3在動力學(xué)上都是穩(wěn)定的。從態(tài)密度的計算結(jié)果,我們可以看到所研究的結(jié)構(gòu)都具有金屬性。在所有考慮的結(jié)構(gòu)中,Os B3-Re B3(Os B3-Re B3表示Os B3結(jié)構(gòu)的Re B3,下同)具有最大的剪切模量(261 GPa)、體模量(355 GPa)和楊氏模量(630 GPa);WB3-WB3的剪切模量(257 GPa)僅次于Os B3-Re B3。這表明,WB3-WB3和Os B3-Re B3是潛在的超不可壓縮性和超硬材料。(2)通過基于密度泛函理論的第一性原理計算研究了釕硼化物(Ru7B3、Ru B、Ru2B3、Ru B2、Ru B3以及Ru B4)的相穩(wěn)定性和力學(xué)性能。計算結(jié)果表明:在常壓下,Re B2-Ru B2(Re B2-Ru B2表示Re B2結(jié)構(gòu)的Ru B2,下同)Tc P3-Ru B3和Mo B4-Ru B4要比其他結(jié)構(gòu)在熱力學(xué)上更穩(wěn)定性且有更好的力學(xué)性能。對態(tài)密度的研究結(jié)果揭示了:硼原子與硼原子(B-B鍵)、硼原子與釕原子(Ru-B鍵)之間的共價鍵和對上述釕硼化物優(yōu)越的力學(xué)性能(高的體模量、剪切模量和小的Poisson比率)起到了關(guān)鍵的作用。結(jié)合計算得到的能量-壓力關(guān)系曲線,我們不難發(fā)現(xiàn),零壓下,實驗上合成過的Ru7B3-Ru7B3、Ru2B3-Ru2B3以及假想的WB-Ru B、Re B2-Ru B2應(yīng)該是基態(tài)相。隨著壓強的增加,在60 GPa壓強下,假想的Mo B4-Ru B4也變成了一個基態(tài)相;而在100 GPa壓強下,Ru7B3-Ru7B3、WB-Ru B、Re B2-Ru B2和Mo B4-Ru B4是最穩(wěn)定的相。因此,高壓有利于高硼含量的釕硼化物的合成。(3)對鉭硼化物,t I12-Ta2B、o C8-Ta B、o C22-Ta5B6、o I14-Ta3B4和h P3-Ta B2已經(jīng)在實驗上合成出來。因此,對鉭硼化物的研究,我們先采用進化算法(USPEX軟件)對Ta B3的晶體結(jié)構(gòu)進行了預(yù)測。結(jié)果表明,正交結(jié)構(gòu)的o C16-Ta B3(空間群是Imma)是最穩(wěn)定,然后采用基于第一性原理的VASP軟件,計算了各種性質(zhì)。通過能量凸包線,我們可以知道,在零壓下t I12-Ta2B、o C8-Ta B、o C22-Ta5B6、o I14-Ta3B4和h P3-Ta B2是基態(tài)相;壓強為75 GPa時,最穩(wěn)定的相增加了一個,即:o C16-Ta B3;壓強為120GPa時,最穩(wěn)定相包括:o C8-Ta B、o C22-Ta5B6、o I14-Ta3B4和o C16-Ta B3。我們利用VASP軟件研究了實驗上已經(jīng)合成的相與理論上預(yù)測得到的新相的相對穩(wěn)定性;同時討論了其電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)等。計算結(jié)果表明,所有的鉭硼化物在力學(xué)和動力學(xué)上都是穩(wěn)定的,并且計算所得的態(tài)密度表明所有化合物都具有一定的金屬性質(zhì),當(dāng)壓強高于75 GPa時,預(yù)測得到的o C16-Ta B3是所有的鉭硼化物中最穩(wěn)定的相。結(jié)合計算得到的o C16-Ta B3維氏硬度(41.2 GPa)和壓痕屈服強度(22.8 GPa),可以說明o C16-Ta B3是硬質(zhì)材料或者是潛在的超硬材料�，F(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)還沒有在實驗上得到,因此,我們期待進一步的實驗合成和研究。
【關(guān)鍵詞】：過渡金屬硼化物 第一性原理 相穩(wěn)定性 力學(xué)性能和熱力學(xué)性質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ163;O611.3
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-19
• 1.1 超硬材料和過渡金屬化合物9-12
• 1.1.1 超硬材料9-10
• 1.1.2 過渡金屬化合物10-12
• 1.2 材料的穩(wěn)定性及其硬度計算12-19
• 1.2.1 材料的彈性和塑性性質(zhì)12
• 1.2.2 材料的穩(wěn)定性12-17
• 1.2.3 材料硬度計算方法17-19
• 第二章 計算理論基礎(chǔ)和計算方法19-27
• 2.1 電子態(tài)在計算過程中的基本近似19-20
• 2.1.1 玻恩-奧本海默絕熱近似19-20
• 2.1.2 軌道近似20
• 2.2 密度泛函理論20-24
• 2.2.1 Thomas-Fermi模型及相關(guān)模型21-22
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn多體理論22
• 2.2.3 Kohn-Sham有效單體理論22-23
• 2.2.4 局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)23-24
• 2.3 常用軟件介紹24-26
• 2.3.1 CASTEP模塊25
• 2.3.2 VASP軟件25
• 2.3.3 USPEX軟件25-26
• 2.4 論文研究目的和內(nèi)容26-27
• 第三章 5d過渡金屬三硼化物的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)和力學(xué)性能的第一性原理研究27-44
• 3.1 研究背景27-28
• 3.2 計算方法和晶體結(jié)構(gòu)28-29
• 3.2.1 計算方法28
• 3.2.2 晶體結(jié)構(gòu)28-29
• 3.3 結(jié)果和討論29-43
• 3.3.1 晶格參數(shù)和彈性性質(zhì)30-35
• 3.3.2 成鍵性質(zhì)和變化趨勢35-36
• 3.3.3 聲子譜和態(tài)密度36-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 第四章 釕硼化物的相穩(wěn)定性和力學(xué)性能的第一性原理研究44-55
• 4.1 研究背景44-45
• 4.2 計算方法和晶體結(jié)構(gòu)45
• 4.2.1 晶體結(jié)構(gòu)45
• 4.2.2 計算方法45
• 4.3 結(jié)果與討論45-53
• 4.3.1 結(jié)構(gòu)和相穩(wěn)定性45-50
• 4.3.2 釕硼化物的力學(xué)性質(zhì)50-51
• 4.3.3 釕硼化物的態(tài)密度和化學(xué)鍵51-53
• 4.4 本章小結(jié)53-55
• 第五章 TaB_3高壓相的預(yù)測：第一性原理研究55-65
• 5.1 研究背景55-56
• 5.2 計算方法和晶體結(jié)構(gòu)56-57
• 5.2.1 計算方法56
• 5.2.2 晶體結(jié)構(gòu)56-57
• 5.3 結(jié)果和討論57-64
• 5.3.1 鉭硼化物體系的相穩(wěn)定性58-60
• 5.3.2 鉭硼化物的力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定性60-64
• 5.4 本章小結(jié)64-65
• 第六章 總結(jié)65-67
• 參考文獻67-75
• 致謝75-76
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文76

【共引文獻】

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本文編號：345311