本文在綜述超硬材料研究情況和第一性原理計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,利用密度泛函理論（DFT）及密度泛函微擾理論（DFPT）計(jì)算了新型低焓超硬BC_XN（X=1,4,6）材料的電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)、動力學(xué)穩(wěn)定性、熱力學(xué)穩(wěn)定性、理想強(qiáng)度和理論硬度,為設(shè)計(jì)與合成新材料及了解材料的性質(zhì)提供幫助。闡明了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且具有優(yōu)良力學(xué)性能結(jié)構(gòu)的合成條件,探索了碳含量變化及化學(xué)鍵的不同排布方式對硼碳氮多元復(fù)雜體系結(jié)構(gòu)及性能變化的構(gòu)效關(guān)系。在粒子群優(yōu)化（PSO）算法及第一性原理計(jì)算的基礎(chǔ)上,預(yù)測出體心四方結(jié)構(gòu)t-BCN、體心正交結(jié)構(gòu)o-BC₄N和中心單斜結(jié)構(gòu)Cm-BC₆N等新型低焓超硬相。利用基于密度泛函理論（DFT）的第一原理計(jì)算軟件對上述新型超硬相的結(jié)構(gòu)、電子和力學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。上述結(jié)構(gòu)中各原子呈現(xiàn)出近四面體sp³雜化電子態(tài)特征,且與周圍原子成共價鍵。彈性常數(shù)計(jì)算結(jié)果顯示以上新型硼碳氮結(jié)構(gòu)均為力學(xué)穩(wěn)定性相。計(jì)算結(jié)果揭示在壓力達(dá)到22.2 GPa以上條件下t-BCN比石墨狀g-BCN在熱力學(xué)上更穩(wěn)定。t-BCN的理想強(qiáng)度在剪切載... 

【文章來源】：燕山大學(xué)河北省

【文章頁數(shù)】：100 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定強(qiáng)度值的示意圖

第2章基本理論、計(jì)算方法和常用軟件-21-圖2-2由應(yīng)力-應(yīng)變曲線確定強(qiáng)度值的示意圖Fig.2-2Schematicdiagramofthestrengthdependingonstress-strainplot2.3.2.2理想強(qiáng)度的計(jì)算方法圖2-3是兩種應(yīng)變模式的示意圖。在拉伸應(yīng)變下，應(yīng)力垂直于受力面，因?yàn)槭钦磧蓚�方向同時拉伸，因此正反方向相同。對于剪切應(yīng)變，應(yīng)力與滑移面平行，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對于一些結(jié)構(gòu)，正向剪切和逆向剪切不相同。例如，金剛石的(111)[11-2]和(111)[-1-12]就完全不同。圖2-3兩種應(yīng)變模式的示意圖:(a)拉伸應(yīng)變及(b)層間的剪切應(yīng)變Fig.2-3Schematicdiagramoftwotypesdeformationmode:(a)thetensilemodeand(b)thesheardeformationbetweenlayers本文依據(jù)Roundy[111]的計(jì)算方法，在晶胞的某一晶體學(xué)高對稱方向上施加一組遞增的應(yīng)變，在反過來計(jì)算對應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力，由此繪制應(yīng)力與應(yīng)變曲線后得到其理想強(qiáng)度值。在實(shí)際計(jì)算中，由于精度所限，我們認(rèn)為當(dāng)殘余應(yīng)力小于0.1GPa時即為收(a)(b)

燕山大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文-24-550eV，布里淵區(qū)的高對稱點(diǎn)積分通過Monkhorst-Pack方法[120]實(shí)現(xiàn)，k點(diǎn)采用12×12×4以保證總能收斂至1meV/atom，上述設(shè)置完全滿足我們的收斂要求。通過計(jì)算獨(dú)立的彈性常數(shù)Cij，采用Voight-Reuss-Hill(VRH)平均法[121]近似，獲得了體積模量B和剪切模量G等力學(xué)性質(zhì)參數(shù)。通過基于平面波密度泛函微擾理論，采用局域梯度近似，有限位移方法進(jìn)行了聲子譜計(jì)算。利用MS軟件和VESTA[122]軟件繪制相關(guān)結(jié)構(gòu)圖。3.3t-BCN晶體結(jié)構(gòu)t-BCN是一種新型BCN化合物，它的晶體結(jié)構(gòu)為I41md空間群（No.109），屬于四方晶系。圖3-1(a),(b),(c)和(d)分別是t-BCN的三維結(jié)構(gòu)圖及沿[001]，[100]和[010]方向的視圖，其中粉色球表示硼原子，灰色球表示碳原子，藍(lán)色球表示氮原子。圖3-1t-BCN晶體結(jié)構(gòu)的(a)三維視圖，(b)視線沿[001]方向的視圖，(c)視線沿[100]方向的視圖以及(d)視線沿[001]方向的視圖Fig.3-1Crystalstructuresoft-BCN:(a)three-dimensionaltopology,(b)alongthe[001]directiontopology,(c)alongthe[100]directiontopologyand(d)alongthe[010]directiontopology由圖3-1(a)可見，對于四方相t-BCN晶胞內(nèi)有12個原子，包括4個B原子，4個C原子，4個N原子。每個B原子（C原子或N原子）以共價鍵連接2個N原子（B原子或C原子）和2個C原子（N原子或B原子），該結(jié)構(gòu)中沒有B-B，C-C，N-N鍵，形成了單一的B-C-N-B-C-N首尾連接的非共面六元環(huán)結(jié)構(gòu)。如圖3-1(c)和

【參考文獻(xiàn)】：
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博士論文
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本文編號：3063810