本文選題：第一性原理 + 結構性質關聯(lián)��； 參考：《燕山大學》2015年博士論文

【摘要】：結構性質關聯(lián)在材料科學中的地位舉足輕重。只有充分掌握了材料結構和性質之間的關聯(lián)信息,以目標性質為導向快速高效地設計開發(fā)新材料才有可能,否則便只能停留在高成本高周期的炒菜試錯階段。材料的宏觀性能與其微觀電子結構密切相關。對于鋯合金,如何在電子尺度認識理解其一系列不同于其他合金體系的本征特性,建立其微觀電子結構和宏觀特性之間的關系,對于自下而上地設計與開發(fā)新型鋯合金具有重要的理論與現(xiàn)實意義。結合文獻調研和自己的研究工作,我們認識到在純鋯和許多鋯合金中存在著一種特殊的贗原子現(xiàn)象,這種特殊的電子結構極有可能是鋯基材料各種宏觀特性的內在物理根源。本文基于密度泛函理論和Bader的電子密度拓撲分析方法,探討了贗原子這一特殊電子結構在鋯及其金屬間化合物中的存在性及存在機制,并初步建立了其與鋯合金一些宏觀物性之間的關系。首先探討對比了純鋯三個常見相的電子密度拓撲性質,發(fā)現(xiàn)隨著鋯四面體結構畸變程度的增大,Zr原子間的相互作用由α相中的贗原子變?yōu)棣叵嘀械摹跋憬舵I”再變?yōu)棣孪嘀谐Ｒ姷闹本�型鍵。在不同的密排六方金屬中,隨著元素電負性的降低,體系的贗原子特性越來越強。因此,贗原子的出現(xiàn)是由晶體結構和組成元素的電負性共同決定的。鋯合金中特殊的贗原子結構可能會導致其具有特別的力學行為,如彈性各向異性、位錯芯結構、位錯滑移等。對ω-Zr和有序ω相Zr_2Al的對比研究表明,Al對Zr的有序取代未能產生贗原子,二者中均具有Zr-Zr香蕉鍵。但是,這兩相的彈性性質差異很大,Zr_2Al具有更高的彈性模量和硬度以及更低的彈性各向異性。電子密度拓撲分析表明,Al對Zr的有序取代顯著增大了對應化學鍵的方向性和鍵臨界點處的電子密度,并且降低了鍵的各向異性。由于ω相在很多鋯合金中都具有重要作用,這些結果對調控ω相的基本力學性質進而調控相關鋯合金的性能具有指導意義。在金屬間化合物Zr_2Cu的四方相中也發(fā)現(xiàn)了贗原子,并且在高壓下其贗原子結構會發(fā)生塌陷,發(fā)生電子密度拓撲轉變,進而導致Zr_2Cu晶體發(fā)生等結構相變。由于這個相變同時具有傳統(tǒng)的等結構相變和結構相變的特征,因此我們提出一種新的相變類型叫做準結構相變。對Zr_2Cu的三個競爭相的研究發(fā)現(xiàn),隨著Zr原子堆積偏離四面體程度的增大,Zr原子間的成鍵形式由贗原子鍵(C11_b相)轉變?yōu)镃16相的二分叉鍵(香蕉鍵)再轉變成E9_3相中鋯八面體的直線型鍵。這對鋯基非晶具有一定的隱含意義。在Zr基非晶中存在著許多畸變程度不同的Zr四面體結構,它們極有可能具有這三種不同的電子結構,這將會對Zr基非晶的物化性質具有決定性的作用。Zr_2Pd和ZrPd_2是晶體結構相同但性質卻大不同的經典案例。盡管二者具有相同的Mo Si_2型結構和能形成氫化物的組成元素,但他們的儲氫吸氫性能相差懸殊,即Zr_2Pd極易吸氫并形成一系列氫化物而ZrPd_2卻幾乎不固溶氫。這一反常現(xiàn)象一直以來未得到滿意的解釋�；贐ader的電子密度拓撲分析,我們發(fā)現(xiàn)其根源在于它們實際上具有不同的擴展結構(電子密度拓撲)。
[Abstract]:The relationship between structure and properties is very important in material science. Only by fully grasping the related information between material structure and nature, it is possible to design and develop new materials quickly and efficiently with the target nature as the guidance. Otherwise, it can only stay at the stage of high cost and high cycle stir fry. The structure is closely related. For zirconium alloys, it is of great theoretical and practical significance for the design and development of new zirconium alloys to understand the intrinsic properties of a series of different alloy systems in the electronic scale and to establish the relationship between the micro electronic structure and the macroscopic properties. We recognize that there is a special pseudo atomic phenomenon in pure zirconium and many zirconium alloys. This special electronic structure may be the intrinsic physical source of the macroscopic properties of zirconium based materials. This special electricity is discussed in this paper based on the density functional theory and the electronic density topological analysis of Bader. The existence and existence mechanism of substructure in zirconium and its intermetallic compounds and its relationship with some macroscopic properties of zirconium alloys are initially established. First, the topological properties of the electron density of the three common phases of pure zirconium are discussed and compared. It is found that the interaction of Zr atoms with the degree of structural distortion of zirconium tetrahedron is from the alpha phase. The pseudo atom becomes the "banana bond" in the Omega phase and then becomes a common linear bond in the beta phase. In the different dense six square metals, the pseudatomic properties of the system become stronger with the decrease of the electronegativity of the elements. Therefore, the appearance of the pseudo atoms is determined by the Electronegativity of the crystal structure and the constituent elements. The structure may result in special mechanical behavior, such as elastic anisotropy, dislocation core structure, dislocation slip and so on. A comparative study of Omega -Zr and ordered Omega phase Zr_2Al shows that the ordered substitution of Al for Zr has failed to produce pseudo atoms, and all of the two have Zr-Zr banana bonds. However, the elastic properties of this two phase are very different, and Zr_2Al has a higher level. The elastic modulus and hardness as well as the lower elastic anisotropy. The topological analysis of electron density shows that the ordered substitution of Al to Zr significantly increases the orientation of the corresponding chemical bonds and the electron density at the critical point of the bond, and reduces the anisotropy of the bond. The basic mechanical properties of the zirconium alloys are of guiding significance. The pseudo atoms are found in the Quartet phase of the intermetallic compound Zr_2Cu, and the pseudo atomic structure will collapse at high pressure and the topological transformation of the electron density will occur, which leads to the phase transition of the Zr_2Cu crystal. A new type of phase transition is called quasi structural phase transition. A new type of phase transition is called the quasi structural phase transition. A study of three competing phases of Zr_2Cu shows that the bonding form between the Zr atoms is transformed from the pseudo atomic bond (C11_b phase) to the two bifurcating bond (banana bond) of the C16 phase as the accumulation of Zr atoms deviates from the tetrahedron. It is converted into a linear bond of zirconium eight in the E9_3 phase. This has a certain implied meaning to the zirconium base amorphous. There are many Zr tetrahedron structures with different degrees of distortion in the Zr base amorphous. They are extremely likely to have these three different electronic structures, which will play a decisive role in the physical and chemical properties of the Zr base amorphous,.Zr_2Pd and ZrPd_. 2 are the classic cases of the same crystal structure but different properties. Although the two have the same Mo Si_2 structure and can form the constituent elements of the hydride, their hydrogen storage performance is very different, that is, Zr_2Pd is very easy to absorb hydrogen and form a series of hydrides, but ZrPd_2 is almost inSolid to dissolve hydrogen. This anomalous phenomenon has not been obtained all the time. Based on Bader's topological analysis of electron density, we find that the reason is that they actually have different extended structures (electron density topology).

【學位授予單位】：燕山大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG146.414

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本文編號：1794571