本文關(guān)鍵詞：Ag-4Gu-0.3Ni-La四元合金中稀土相的第一性原理計(jì)算

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【摘要】：近幾十年來(lái),對(duì)稀土元素的開(kāi)發(fā)應(yīng)用一直是人們研究高性能合金材料的重要領(lǐng)域。稀土元素通常作為微合金元素添加到合金中,可改善合金的微觀組織,提高合金的性能。稀土元素因其特殊性質(zhì),容易與其它合金元素結(jié)合形成新的物相。這些稀土物相往往是改善合金性能的關(guān)鍵,但其含量卻極低,這使得僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段來(lái)觀察分析具有很大的困難;同時(shí),對(duì)探究稀土元素在合金中作用機(jī)理也帶來(lái)極大麻煩。銀合金因其優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能在電接觸領(lǐng)域中被廣泛的研究和應(yīng)用,特別是稀土銀合金。本文之前課題組的工作,發(fā)現(xiàn)銀基電接觸材料Ag4Cu0.3NiLa合金中,存在各種含量極低的稀土相析出顆粒,因其含量極低,X射線(xiàn)衍射儀等分析儀器難以對(duì)其進(jìn)行甄別。基于上述AgCuNiLa RE合金的稀土相在實(shí)驗(yàn)上的證據(jù)及其物相性能的數(shù)據(jù)匱乏,本文采用第一性原理計(jì)算方法從以下幾個(gè)方面對(duì)Ag4Cu0.3NiLa四元合金中的稀土相的結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行系統(tǒng)研究,探索稀土相微結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律及其與性能的關(guān)系,為稀土在高性能合金的應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。首先,對(duì)Ag-La系(LaAg、LaAg_2、La14Ag_51及LaAg_5 Lavess相)、Cu-La系(La Cu、LaCu_2、LaCu_4、LaCu_5及α-La Cu_6)及Ni-La系(La_3Ni、La_7Ni_3、LaNi、La_2Ni_3及LaNi_5)二元化合物的晶體結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)性能及電子結(jié)構(gòu)的進(jìn)行理論計(jì)算研究。其結(jié)果表明幾何優(yōu)化后的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和質(zhì)量密度與實(shí)驗(yàn)值相符;Cu-La、Ag-La系二元化合物的結(jié)合能絕對(duì)值隨La含量的增加而升高,而Ni-La系二元化合物的結(jié)合能則隨La含量的增加而降低,La與Ag、Cu、Ni的結(jié)合能從大到小的順序?yàn)?Ni-La、Cu-La、Ag-La;貧鑭相按生成焓絕對(duì)值從大到小排序:La Ag_2、LaNi_5、La_(14)Ag_51、LaAg_5-f_1f_3 Laves相、La Cu_4、LaCu_5及α-LaCu_6,其生成焓分別為-27.2、-26.3、-23.2、-18.3、-11.2、-10.6及-8.9 KJ/mol;Ag-La系、Cu-La系的穩(wěn)定性隨La含量的增加而提高,這是由于化合物價(jià)鍵的共價(jià)性和離子性隨La含量的增加而增強(qiáng),而Ni-La系化合物的穩(wěn)定性隨著La含量的增加而降低,這歸咎于共價(jià)性降低的而離子性增加,共價(jià)性起主導(dǎo)作用。其次,對(duì)實(shí)驗(yàn)上已確認(rèn)結(jié)構(gòu)的二元稀土相(La Ag_5、LaCu_5、LaNi_5)的晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及電子結(jié)構(gòu)在壓力作用下進(jìn)行理論研究。其結(jié)果表明隨著壓力的增加,其晶胞體積降低,價(jià)鍵的共價(jià)性和離子性均增強(qiáng),導(dǎo)致化合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)。在LaAg_5的三種結(jié)構(gòu)中(f_1f_2、f_1f_3、f_2f_3),f_1f_3結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)、力學(xué)穩(wěn)定性最好,其彈性模量和各向異性均優(yōu)于其它兩種結(jié)構(gòu)。隨著壓力的升高,La Ag_5、LaNi_5及La Cu_5的彈性模量及Debye溫度呈近線(xiàn)性增加,特別是LaCu_5的楊氏模量與Debye溫度趨勢(shì)一致,在高于25 GPa下保持平穩(wěn)。Pugh值和泊松比表明LaAg_5、La Cu_5、La Ni_5均為韌性材料,在0 GPa下,LaCu_5及LaAg_5-f_1f_2、-f_2f_3具有較高韌性,而La Ni_5的韌性最差。隨著壓力的增加,LaAg_5-f_1f_3、La Ni_5的韌性逐漸變好,LaAg_5-f_1f_3在壓力高于20 GPa后保持不變,LaNi_5在壓力高于15 GPa保持不變。在0 GPa下,體模量、剪切模量、楊氏模量以及一般各向異性指數(shù)AU從高到底的排序?yàn)?La Ni_5,LaCu_5,La Ag_5。最后,研究三元相La(Ag,Cu)5中Cu對(duì)Ag和La(Cu,Ni)5中Ni對(duì)Cu的取代效應(yīng)。晶體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果表明,Cu可以取代LaAg_5-f_1f_3結(jié)構(gòu)中Wyckoff 2a、4f位置上的Ag原子,若取代6h位置則晶體結(jié)構(gòu)容易向單斜轉(zhuǎn)變;Ni僅能取代LaCu_52c位置上的Cu原子,若置換3g位置的Cu,晶體結(jié)構(gòu)容易向正交轉(zhuǎn)變。當(dāng)Cu取代LaAg_5-f_1f_3結(jié)構(gòu)中2a位置的Ag以及Ni取代LaCu_5 2c位置上的Cu原子,化合物的形成焓與結(jié)合能均升高,化合物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高,其中Cu取代LaAg_5-f_1f_3結(jié)構(gòu)中2a位置后因化合物的形成焓與結(jié)合能升高明顯大于4f位置,所以Cu的最佳取代位置為2a位置。彈性力學(xué)表明Cu對(duì)LaAg_5的Ag原子取代導(dǎo)致化合物的彈性模量、各向同性降低,但化合物的韌性升高;Ni對(duì)LaCu_5的Cu原子取代,化合物的體模量、韌性下降,而剪切模量、楊氏模量、各向同性增加。此外,取代元素降低化合物的Fermi能級(jí)處的態(tài)密度,對(duì)于La Cu_4Ni,Ni d軌道還和Cu d軌道發(fā)生共局域效應(yīng)。
【關(guān)鍵詞】：AgCuNi RE合金 金屬間化合物 稀土相 第一性原理
【學(xué)位授予單位】：重慶理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG146.32
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-22
• 1.1 引言12-13
• 1.2 銀基電接觸材料13-14
• 1.2.1 銀基電接觸材料概述13
• 1.2.2 Ag-Cu-Ni電接觸材料的發(fā)展13-14
• 1.3 稀土元素在銀合金中的作用及在銀基電接觸材料中應(yīng)用研究14-16
• 1.3.1 稀土金屬的性質(zhì)14-15
• 1.3.2 稀土元素在銀合金中的作用15
• 1.3.3 稀土元素在銀基電接觸材料中的應(yīng)用15-16
• 1.4 稀土在合金中的第一性原理研究進(jìn)展16-19
• 1.4.1 金屬基體中的稀土研究17
• 1.4.2 晶界處的稀土研究17-18
• 1.4.3 稀土金屬化合物和稀土取代金屬化合物18-19
• 1.5 課題的研究意義與主要內(nèi)容19-22
• 第二章 第一性原理與計(jì)算軟件22-34
• 2.1 第一性原理22-26
• 2.1.1 薛定諤波動(dòng)方程22-23
• 2.1.2 Born-Oppenheimer近似23
• 2.1.3 Hartree-Fock近似23-25
• 2.1.4 密度泛函理論基礎(chǔ)25-26
• 2.2 計(jì)算方法26-29
• 2.2.1 布洛赫定理與k空間取樣26-28
• 2.2.2 平面波贗勢(shì)法28-29
• 2.3 彈性性能計(jì)算29-31
• 2.3.1 彈性常數(shù)29-30
• 2.3.2 彈性模量30-31
• 2.3.3 韌性或脆性行為31
• 2.4 CASTEP程序包31-34
• 第三章 二元稀土化合物34-59
• 3.1 引言34-35
• 3.2 計(jì)算細(xì)節(jié)35
• 3.3 Ag-La系35-43
• 3.3.1 晶體結(jié)構(gòu)35-37
• 3.3.2 生成焓與結(jié)合能37-39
• 3.3.3 電子結(jié)構(gòu)39-43
• 3.4 Cu-La系43-49
• 3.4.1 晶體結(jié)構(gòu)43-45
• 3.4.2 生成焓與結(jié)合能45-46
• 3.4.3 電子結(jié)構(gòu)46-49
• 3.5 Ni-La系49-55
• 3.5.1 晶體結(jié)構(gòu)49-51
• 3.5.2 生成焓與結(jié)合能51-52
• 3.5.3 電子結(jié)構(gòu)52-55
• 3.6 Ag-Cu-Ni-La合金系二元稀土化合物55-56
• 3.7 本章小結(jié)56-59
• 第四章 壓力對(duì)稀土化合物的作用59-75
• 4.1 引言59
• 4.2 計(jì)算細(xì)節(jié)59-60
• 4.3 壓力對(duì)LaAg_5的作用60-66
• 4.3.1 壓力對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響60-61
• 4.3.2 壓力對(duì)彈性力學(xué)性能的影響61-64
• 4.3.3 壓力對(duì)德拜溫度的影響64
• 4.3.4 壓力對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響64-66
• 4.4 壓力對(duì)LaCu_5、LaNi_5化合物的影響66-72
• 4.4.1 壓力對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的影響66-67
• 4.4.2 壓力對(duì)彈性力學(xué)性能的影響67-70
• 4.4.3 壓力對(duì)德拜溫度的影響70
• 4.4.4 壓力對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響70-72
• 4.5 本章小結(jié)72-75
• 第五章 三元稀土化合物75-85
• 5.1 引言75
• 5.2 計(jì)算細(xì)節(jié)75-76
• 5.3 La(Ag,Cu)_5 化合物76-79
• 5.3.1 La(Ag,Cu)_5 的晶體結(jié)構(gòu)76-77
• 5.3.2 生成焓與結(jié)合能77
• 5.3.3 彈性力學(xué)性能77-79
• 5.3.4 電子結(jié)構(gòu)79
• 5.4 La(Cu,Ni)_5 化合物79-82
• 5.4.1 La(Cu,Ni)_5 化合物的晶體結(jié)構(gòu)79-80
• 5.4.2 生成焓與結(jié)合能80-81
• 5.4.3 力學(xué)性能81-82
• 5.4.4 電子結(jié)構(gòu)82
• 5.5 本章小結(jié)82-85
• 第六章 結(jié)論與展望85-88
• 6.1 結(jié)論85-86
• 6.2 展望86-88
• 致謝88-89
• 參考文獻(xiàn)89-97
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及取得的研究成果97-98

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