本文關(guān)鍵詞：基于典型碳結(jié)構(gòu)的新型超硬材料設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：碳納米材料結(jié)構(gòu)十分豐富,以金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨、石墨烯等多種形式存在,在諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。由于結(jié)構(gòu)的不同,它們的電學(xué)和力學(xué)等物理性質(zhì)迥然不同。目前,在碳材料研究中最具挑戰(zhàn)性的基本科學(xué)問題是如何設(shè)計(jì)新的碳結(jié)構(gòu),提高碳材料的力學(xué)性能,獲得性能優(yōu)異、甚至超過金剛石的新型超硬碳材料并賦予其獨(dú)特的電學(xué)等物理性質(zhì)。高壓是構(gòu)筑超硬結(jié)構(gòu)最有力的手段,在碳材料中,石墨在高壓下轉(zhuǎn)化為金剛石即是典型范例。因此,本文利用DFT理論的第一性原理計(jì)算方法、CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測方法和硬度的理論計(jì)算方法,在金剛石、石墨、碳納米管、富勒烯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開展了新型超硬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究。獲得了以下結(jié)果:1.模擬發(fā)現(xiàn)C60@(11,11)Peapod結(jié)構(gòu)和C70@(10,10)Peapod結(jié)構(gòu)在壓力的作用下能分別轉(zhuǎn)化成兩個(gè)全新的結(jié)構(gòu),U碳和V碳,且五環(huán)在轉(zhuǎn)化過程中起重要作用。U碳和V碳都是具有單斜對(duì)稱性的全sp3雜化碳,在一定的壓力范圍內(nèi)比廣泛研究的M碳穩(wěn)定。U碳和V碳具有和金剛石相近的力學(xué)性質(zhì),U碳的體模和維氏硬度值分別為370GPa、87.6GPa,V碳的體模和維氏硬度值為411GPa、89.4GPa。特別地,U碳的提出,解決我們課題組實(shí)驗(yàn)上壓縮C60 Peapod獲得的超硬相的晶體結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制。該研究有助于人們理解Peapod結(jié)構(gòu)的高壓行為,不僅豐富了超硬碳材料家族,還為人們?cè)O(shè)計(jì)與合成新型超硬碳材料提供了新思路。2.模擬發(fā)現(xiàn)在金剛石結(jié)構(gòu)中引入合適構(gòu)型的sp2碳結(jié)構(gòu)能獲得一個(gè)新型的超硬金屬立方相,C14碳,維氏硬度為55.8GPa。它的密度和金剛石的密度相近,比理論上提出的其他金屬碳的密度都要大。C14碳結(jié)構(gòu)中的sp3共價(jià)網(wǎng)格保證了它的超硬特性,結(jié)構(gòu)中的sp2電子離域提供了它的金屬性。C14碳在動(dòng)力學(xué)上穩(wěn)定,在能量上比大多理論提出的碳都要穩(wěn)定。該結(jié)構(gòu)的提出,解決前人用動(dòng)壓縮聚四氰乙烯(TCE)合成的未知相的晶體結(jié)構(gòu)。該研究不僅豐富了超硬金屬碳結(jié)構(gòu)家族,還為人們?cè)O(shè)計(jì)與合成新型超硬金屬碳提供了新思路。
【關(guān)鍵詞】：第一性原理 超硬材料 碳 結(jié)構(gòu) 高壓
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ163
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-29
• 1.1 典型碳結(jié)構(gòu)簡介10
• 1.2 金剛石10-12
• 1.2.1 結(jié)構(gòu)簡介10-11
• 1.2.2 實(shí)驗(yàn)合成方法簡介11-12
• 1.2.3 硼摻雜金剛石12
• 1.3 實(shí)驗(yàn)上新型超硬碳相的探索12-19
• 1.3.1 石墨的壓致超硬相12-13
• 1.3.2 碳納米管的壓致超硬相13-15
• 1.3.3 富勒烯的壓致超硬相15-17
• 1.3.4 其他壓致超硬相17-19
• 1.4 理論上新型超硬碳相的探索19-26
• 1.4.1 石墨的壓致超硬結(jié)構(gòu)19-20
• 1.4.2 碳納米管的壓致超硬結(jié)構(gòu)20-23
• 1.4.3 富勒烯的壓致超硬結(jié)構(gòu)23-25
• 1.4.4 其他超硬結(jié)構(gòu)25-26
• 1.5 選題的目的、意義及主要內(nèi)容26-29
• 1.5.1 選題的目的、意義26-28
• 1.5.2 論文主要內(nèi)容28-29
• 第二章 理論基礎(chǔ)與計(jì)算方法29-37
• 2.1 引言29
• 2.2 密度泛函理論29-31
• 2.3 CALYPSO晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測方法31-33
• 2.4 硬度的理論計(jì)算33-37
• 2.4.1 硬度的定義33
• 2.4.2 鍵阻抗硬度模型33-34
• 2.4.3 鍵強(qiáng)度硬度模型34-35
• 2.4.4 電負(fù)性硬度模型35-36
• 2.4.5 模量硬度模型36-37
• 第三章 基于C_(60)/C_(70) Peapod的超硬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)37-48
• 3.1 引言37-38
• 3.2 計(jì)算方法和細(xì)節(jié)38-39
• 3.3 結(jié)果與討論39-46
• 3.3.1 C_(60)/C_(70) Peapod結(jié)構(gòu)在高壓下的行為研究39-40
• 3.3.2 U碳和V碳的晶體結(jié)構(gòu)40-41
• 3.3.3 U碳和V碳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性41-44
• 3.3.4 U碳和V碳的力學(xué)性質(zhì)44-45
• 3.3.5 U碳和V碳的電學(xué)性質(zhì)45
• 3.3.6 理論與實(shí)驗(yàn)XRD衍射譜對(duì)比45-46
• 3.4 本章小結(jié)46-48
• 第四章 基于金剛石和石墨的超硬金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)48-60
• 4.1 引言48-49
• 4.2 計(jì)算方法和細(xì)節(jié)49
• 4.3 結(jié)果與討論49-59
• 4.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)49-51
• 4.3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性51-54
• 4.3.3 C14碳的力學(xué)性質(zhì)54-55
• 4.3.4 C14碳的電學(xué)性質(zhì)55-56
• 4.3.5 C14碳的理論實(shí)驗(yàn)XRD對(duì)比56-58
• 4.3.6 TCE合成C14碳的路徑猜想58-59
• 4.4 本章小結(jié)59-60
• 第五章 論文總結(jié)60-61
• 參考文獻(xiàn)61-68
• 作者簡介68-69
• 攻讀碩士期間完成的學(xué)術(shù)論文69-70
• 致謝70-71

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本文編號(hào)：351846