發(fā)布時間：2021-03-04 19:50

　　本文在綜述超硬材料研究情況和第一性原理計算方法的基礎上,利用密度泛函理論（DFT）及密度泛函微擾理論（DFPT）計算了新型低焓超硬BC_XN（X=1,4,6）材料的電子結構、力學性質、動力學穩(wěn)定性、熱力學穩(wěn)定性、理想強度和理論硬度,為設計與合成新材料及了解材料的性質提供幫助。闡明了結構穩(wěn)定且具有優(yōu)良力學性能結構的合成條件,探索了碳含量變化及化學鍵的不同排布方式對硼碳氮多元復雜體系結構及性能變化的構效關系。在粒子群優(yōu)化（PSO）算法及第一性原理計算的基礎上,預測出體心四方結構t-BCN、體心正交結構o-BC₄N和中心單斜結構Cm-BC₆N等新型低焓超硬相。利用基于密度泛函理論（DFT）的第一原理計算軟件對上述新型超硬相的結構、電子和力學性能進行了深入研究。上述結構中各原子呈現(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)計算結果顯示以上新型硼碳氮結構均為力學穩(wěn)定性相。計算結果揭示在壓力達到22.2 GPa以上條件下t-BCN比石墨狀g-BCN在熱力學上更穩(wěn)定。t-BCN的理想強度在剪切載... 

【文章來源】：燕山大學河北省

【文章頁數(shù)】：100 頁

【學位級別】：博士

【部分圖文】：

由應力-應變曲線確定強度值的示意圖

第2章基本理論、計算方法和常用軟件-21-圖2-2由應力-應變曲線確定強度值的示意圖Fig.2-2Schematicdiagramofthestrengthdependingonstress-strainplot2.3.2.2理想強度的計算方法圖2-3是兩種應變模式的示意圖。在拉伸應變下，應力垂直于受力面，因為是正反兩個方向同時拉伸，因此正反方向相同。對于剪切應變，應力與滑移面平行，由于物質結構的復雜性，對于一些結構，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2-3兩種應變模式的示意圖:(a)拉伸應變及(b)層間的剪切應變Fig.2-3Schematicdiagramoftwotypesdeformationmode:(a)thetensilemodeand(b)thesheardeformationbetweenlayers本文依據(jù)Roundy[111]的計算方法，在晶胞的某一晶體學高對稱方向上施加一組遞增的應變，在反過來計算對應產(chǎn)生的應力，由此繪制應力與應變曲線后得到其理想強度值。在實際計算中，由于精度所限，我們認為當殘余應力小于0.1GPa時即為收(a)(b)

燕山大學工學博士學位論文-24-550eV，布里淵區(qū)的高對稱點積分通過Monkhorst-Pack方法[120]實現(xiàn)，k點采用12×12×4以保證總能收斂至1meV/atom，上述設置完全滿足我們的收斂要求。通過計算獨立的彈性常數(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等力學性質參數(shù)。通過基于平面波密度泛函微擾理論，采用局域梯度近似，有限位移方法進行了聲子譜計算。利用MS軟件和VESTA[122]軟件繪制相關結構圖。3.3t-BCN晶體結構t-BCN是一種新型BCN化合物，它的晶體結構為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的三維結構圖及沿[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，藍色球表示氮原子。圖3-1t-BCN晶體結構的(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），該結構中沒有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)結構。如圖3-1(c)和

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Surperhard monoclinic BC6N allotropes:First-principles investigations[J]. 屈年瑞,王洪超,李青,李一鼎,李志平,緱慧陽,高發(fā)明.  Chinese Physics B. 2019(09)
[2]超導材料的研究進展及應用[J]. 鄒芹,李瑞,李艷國,王明智.  燕山大學學報. 2019(02)
[3]An Orthorhombic Phase of Superhard o-BC4N[J]. 屈年瑞,王洪超,李青,李志平,高發(fā)明.  Chinese Physics Letters. 2019(03)
[4]新型四方相I42m-BCN力學性能的第一性原理研究[J]. 李青,王洪超,屈年瑞,李志平.  燕山大學學報. 2018(06)
[5]立方聚合氮（cg-N）的高溫高壓合成[J]. 雷力,蒲梅芳,馮雷豪,戚磊,張雷雷.  高壓物理學報. 2018(02)
[6]納米孿晶超硬材料的高壓合成[J]. 徐波,田永君.  物理學報. 2017(03)
[7]Structural, Anisotropic and Thermodynamic Properties of Imm2-BCN[J]. 邢孟江,LI Binhua,YU Zhengtao,CHEN Qi.  Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2016(06)
[8]Superhard BC2N:an Orthogonal Crystal Obtained by Transversely Compressing（3,0）-CNTs and（3,0）-BNNTs[J]. 胡玉潔,徐勝亮,王昊,劉恒,徐雪春,蔡影祥.  Chinese Physics Letters. 2016(10)
[9]Urtra-Hard Bonds in P-Carbon Stronger than Diamond[J]. 郭文鋒,王凌生,李志平,夏美榮,高發(fā)明.  Chinese Physics Letters. 2015 (09)
[10]超硬材料的研究進展及展望（英文）[J]. 徐波,田永君.  Science China Materials. 2015(02)

博士論文
[1]B-C-N體系中新型超硬材料制備與性能研究[D]. 黃權.燕山大學 2015



本文編號：3063810