本文關(guān)鍵詞：過渡金屬硼化物的相穩(wěn)定性和物理性能的第一性原理計算

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【摘要】：近年來,過渡金屬硼化物被視為潛在的超硬材料,引起人們的廣泛關(guān)注,并對其進(jìn)行了大量的理論和實驗研究。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算,對過渡金屬鉻硼化物和鎢硼化物晶體結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和動力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。主要研究成果如下:(1)采用基于密度泛函理論的第一性原理對過渡金屬鉻硼化物的晶體結(jié)構(gòu)、熱學(xué)力學(xué)和動力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。對于所考慮的結(jié)構(gòu),計算得到的晶格常數(shù)與先前的理論和實驗研究結(jié)果相吻合。計算結(jié)果表明,hP12-CrB2(表示具有hP12-WB2結(jié)構(gòu)的CrB2,后面按此定義)、oI10-CrB4和oP10-CrB4的維氏硬度分別為42.7GPa、45GPa和46.1GPa,是潛在的超硬材料。通過計算所得的生成焓預(yù)測了化合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性,并結(jié)合能量凸包的研究,提出tI12-Cr2B、tI16-Cr B、和oP10-CrB4為基態(tài)相;隨著壓強(qiáng)的增加,實驗上合成的另外三種化合物oI14-Cr3B4、oC20-Cr2B3和hP3-CrB2在熱力學(xué)上變得越來越穩(wěn)定,并成為最穩(wěn)定相。對于CrB3,我們詳細(xì)討論了由壓強(qiáng)引起的結(jié)構(gòu)相變、體積壓縮比和軸向壓縮比。通過聲子色散曲線,討論了它們的動力學(xué)穩(wěn)定性。(2)將晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測方法與第一性原理方法結(jié)合起來,研究了WB3的晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)。對于WB3,我們使用USPEX軟件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)預(yù)測,選擇了五種能量較低結(jié)構(gòu),分別為:WB3_187_1u、WB3_187_2u、WB3_187_3u、WB3_164_2u和WB3_150_4u;我們也考慮了七種可能的結(jié)構(gòu)(WB3_m-AlB2、WB3_6u、WB3_4u、WB3_OsB3、WB3_FeB3、WB3_TaB3和WB3_TcP3)。研究表明,0GPa時,WB3_6u具有最低的生成焓。所選結(jié)構(gòu)的相對熱力學(xué)穩(wěn)定性順序為WB3_6uWB3_4uWB3_OsB3WB3_187_3uWB3_m-AlB2WB3_187_2uWB3_FeB3WB3_TaB3WB3_164_2uWB3_TcP3WB3_150_4u。當(dāng)壓強(qiáng)超過12GPa以后,WB3_OsB3成為熱力學(xué)上最穩(wěn)定的相。當(dāng)壓強(qiáng)為100GPa時,相對熱力學(xué)上的穩(wěn)定性順序變?yōu)閃B3_OsB3WB3_187_3uWB3_TaB3WB3_187_2uWB3_6uWB3_4uWB3_m-AlB2WB3_164_2uWB3_FeB3WB3_TcP3WB3_150_4u。通過對化合物軸向壓縮比進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)WB3_OsB3和WB3_187_3u沿c軸方向具有超不可壓縮性,表明它們是超不可壓縮材料。在保護(hù)涂層方面,具有潛在的應(yīng)用價值。(3)我們也討論了含W空位缺陷鎢硼化物的相穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)。我們分別建立了以W2B9(P-3m1)、WB3_4u(P63/mmc)和WB3_OsB3(P-6m2)為初始結(jié)構(gòu)的超胞,去掉超胞中的一個W原子形成W空位缺陷。為了忽略缺陷與缺陷之間的相互作用,盡量將超胞中間位置的鎢原子取代為空位。研究結(jié)果表明,隨著缺陷濃度的增加,化合物的生成焓越來越高,結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)穩(wěn)定性越來越差,體模量和剪切模量逐漸降低。W空位缺陷的存在會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和硬度降低。
【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】：2016
【分類號】：O611.3

【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：1240808