本文關(guān)鍵詞：硼碳化合物的力學(xué)，電子和熱力學(xué)性質(zhì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：超硬材料在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛,例如可以作為研磨,拋光,切割工具以及抗磨損和保護涂層材料,超硬材料的合成和設(shè)計一直都是材料學(xué)科中非常令人關(guān)注的領(lǐng)域。傳統(tǒng)上超硬材料的最好選擇就是金剛石,因為其維氏硬度超過了100 GPa。然而,由于其容易氧化,因此在切割鐵材料時形成的高溫條件下,非常容易與鐵發(fā)生反應(yīng)形成碳化鐵,而且人工合成金剛石材料昂貴的費用和其技術(shù)的困難都限制了金剛石的工業(yè)化應(yīng)用。這些限制激勵研究者尋找比金剛石更穩(wěn)定的超硬材料。當(dāng)金剛石中的兩個碳原子被一個硼原子和一個氮原子替代時,會形成超硬的立方的氮化硼,盡管維氏硬度只有48 GPa,但是其擁有卓越的力學(xué)和熱學(xué)穩(wěn)定性。另一個典型的超硬材料就是維氏硬度為76 GPa的立方BC2N。綜上所述,超硬材料一般都具有很高的電子密度和極強的共價鍵,因此超硬材料主要是由輕元素和強共價的元素形成(包括B,C,N,O)。和金剛石相比,由硼元素和碳元素組成的硼碳化合物有許多優(yōu)點,如非常好的抗氧化能力,令人關(guān)注的電子性質(zhì)等等,這些因素都引起了人們對硼碳化合物非常大的關(guān)注。目前,實驗上已經(jīng)能夠合成多種硼碳化合物,包括B4C, BC3, BC5和BC7。硼碳化合物的形成焓一般都大于零,因此實驗上必須在高溫高壓條件下才能合成出硼碳化合物。而目前往往由于實驗條件的限制,某些極端條件難以達到,沒有辦法直接開展實驗研究；此外硼原子和碳原子的原子序數(shù)緊鄰,其電子和原子核的散射交叉區(qū)域較大,很難依靠X射線衍射或者其他的手段確定硼碳化合物中硼原子和碳原子的精確占位。因此,在只知道化合物化學(xué)組分的前提下利用理論方法去預(yù)測硼碳化合物的晶體結(jié)構(gòu)是非常必要的。本文中利用CALYPSO軟件預(yù)測了9種化學(xué)配比的硼碳化合物,通過計算這些結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)和彈性模量以及硬度,從中篩選出了5個富碳的硼碳化合物BC, BC2, BC3, BC4, BC5是可能的超硬材料,對于這5種潛在的超硬材料結(jié)構(gòu),我們系統(tǒng)地計算了其各向異性和理想強度,結(jié)果表明,這些材料的各向異性較大,每個材料的最弱剪切模式下臨界應(yīng)力都小于40 GPa。本文第一章主要介紹了超硬材料的研究現(xiàn)狀和硼碳化合物在理論和實驗兩個方面的研究進展。本文第二章主要介紹了第一性原理的基本方法,包括采用的基本近似方法和密度泛函理論的簡要介紹。為了確定材料是否是超硬材料,我們需要計算材料的硬度,因此我們總結(jié)了三種常見的計算晶體硬度的方法。此外還詳細(xì)介紹了晶體彈性常數(shù)的計算方法,各向異性的計算方法,理想強度的計算方法,電子局域函數(shù)的基本理論和計算熱力學(xué)性質(zhì)的準(zhǔn)簡諧近似的德拜模型。本文第三章利用CALYPSO軟件預(yù)測了硼碳化合物的晶體結(jié)構(gòu),結(jié)合之前的研究結(jié)果,我們確定了本文需要研究的9個硼碳化合物的晶體結(jié)構(gòu)。本文第四章主要研究了硼碳化合物的力學(xué)性質(zhì),通過彈性常數(shù)和彈性模量以及硬度的計算,確定了富碳的硼碳化合物BC, BC2, BC3, BC4, BC5是可能的超硬材料。然而通過理想強度的計算,我們發(fā)現(xiàn),盡管BC4的體彈性模量和硬度非常高,但是其最弱的剪切模式下的理想強度只有5 GPa,因此可以斷定其不是超硬材料。令人關(guān)注的是,當(dāng)應(yīng)力超過5 GP時,四方結(jié)構(gòu)的BC4相變?yōu)閷ΨQ性更低,能量上更穩(wěn)定的Cmmm結(jié)構(gòu)。本文第五章計算了最弱剪切模式下的電子局域函數(shù),通過電子局域函數(shù)的等值圖,說明了當(dāng)應(yīng)力大于理想強度時,結(jié)構(gòu)中原子成鍵的斷裂導(dǎo)致了晶體結(jié)構(gòu)的剪切塑性形變。本文第六章主要根據(jù)準(zhǔn)簡諧近似的德拜模型研究了BC5, BC3和BC這三種硼碳化合物的德拜溫度以及高溫高壓條件下的熱力學(xué)性質(zhì),包括等體摩爾熱容,等壓摩爾熱容和熱膨脹系數(shù)隨著壓力和溫度的變化關(guān)系。本文第七章總結(jié)了全文的研究結(jié)果,并且展望了硼碳化合物的研究前景。
【關(guān)鍵詞】：硼碳化合物 硬度 各向異性 理想強度 電子局域函數(shù) 熱力學(xué)性質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ163
【目錄】：

• 內(nèi)容摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 緒論9-15
• 1.1 超硬材料概述9-11
• 1.2 硼碳化合物的研究現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 富硼的硼碳化合物簡介11-13
• 1.2.2 富碳的硼碳化合物簡介13-15
• 第二章 理論方法15-35
• 2.1 第一性原理方法15-21
• 2.1.1 概述15-16
• 2.1.2 密度泛函理論16-21
• 2.2 力學(xué)性質(zhì)的計算21-29
• 2.2.1 彈性常數(shù)理論計算21-23
• 2.2.2 硬度的理論模型23-26
• 2.2.3 晶體的力學(xué)各向異性26-28
• 2.2.4 理想強度的計算28-29
• 2.3 電子局域函數(shù)29-30
• 2.4 熱力學(xué)性質(zhì)的計算模型30-35
• 第三章 硼碳化合物的晶體結(jié)構(gòu)35-45
• 3.1 計算方法35-36
• 3.2 晶體結(jié)構(gòu)36-45
• 第四章 硼碳化合物的力學(xué)性質(zhì)45-75
• 4.1 物態(tài)方程45-48
• 4.2 彈性常數(shù),彈性模量和硬度48-54
• 4.2.1 彈性常數(shù)48-50
• 4.2.2 彈性模量50-52
• 4.2.3 硬度52-54
• 4.3 各向異性54-61
• 4.4 理想強度61-72
• 4.4.1 BC_5的理想強度62-64
• 4.4.2 BC_4的理想強度64-67
• 4.4.3 BC_3的理想強度67-69
• 4.4.4 BC_2的理想強度69-70
• 4.4.5 BC的理想強度70-72
• 4.5 總結(jié)72-75
• 第五章 硼碳化合物的電子性質(zhì)75-81
• 5.1 富碳的硼碳化合物的電子局域函數(shù)75-80
• 5.2 總結(jié)80-81
• 第六章 高溫高壓下硼碳化合物的熱力學(xué)性質(zhì)81-93
• 6.1 高溫高壓下BC_5熱力學(xué)性質(zhì)82-85
• 6.2 高溫高壓下BC_3熱力學(xué)性質(zhì)85-88
• 6.3 高溫高壓下BC熱力學(xué)性質(zhì)88-91
• 6.4 總結(jié)91-93
• 第七章 結(jié)論93-95
• 7.1 主要結(jié)論93-94
• 7.2 研究展望94-95
• 參考文獻95-105
• 在學(xué)期間的研究成果105-107
• 致謝107

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 唐寧;沈波;韓奎;;Al_xGa_(1-x)N/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中二維電子氣的自旋性質(zhì)[J];微納電子技術(shù);2009年02期

2 范慶華;;晶格旋轉(zhuǎn)對稱軸的幾種證明方法[J];重慶科技學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版);2008年01期

3 高良秋;孟衛(wèi)民;王穎;魏福林;;溶膠-凝膠法制備Ni_(0.4)Cu_(0.2)Zn_(0.4)Fe_xO_4薄膜研究[J];磁性材料及器件;2010年06期

4 陳曉州,莊思永,張大德,杜滿泉;微波照射下的鹵化銀感光材料[J];信息記錄材料;2004年02期

5 郭延生;劉國松;;類拋物二維周期勢阱中的原子狀態(tài)[J];東北師大學(xué)報(自然科學(xué)版);2006年04期

6 彭小蘭;;納米物理學(xué)效應(yīng)及其應(yīng)用[J];東莞理工學(xué)院學(xué)報;2006年03期

7 陳碧芳;用數(shù)理統(tǒng)計確定回歸方程的形式[J];大學(xué)物理實驗;2004年01期

8 梁彥天,趙彥立,鄭毅,余林娟,許祝安,焦正寬;超導(dǎo)體MgB_2的制備和熱電勢研究[J];低溫物理學(xué)報;2001年04期

9 劉隆鑒,高潔;彈道輸運與高溫超導(dǎo)電性[J];低溫物理學(xué)報;2004年02期

10 李波,吳柏枚,高惠平,王明,杜圢,王小平;Cr_(80-x)Fe_(20)Mn_x(x=10,15,20)合金的低溫電阻率和熱導(dǎo)率[J];低溫物理學(xué)報;2005年01期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 白會娟;導(dǎo)電材料結(jié)構(gòu)電磁熱彈性多場行為的理論研究[D];蘭州大學(xué);2010年

2 吳婧;微結(jié)構(gòu)光纖的傳輸特性和傳感解調(diào)技術(shù)研究[D];南京師范大學(xué);2011年

3 陳紅霞;硫化鋅納米結(jié)構(gòu)的物性研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

4 單崇新;ZnCdSe量子點的制備及其表征[D];中國科學(xué)院研究生院（長春光學(xué)精密機械與物理研究所）;2004年

5 楊春;ZnO/α-Al_2O_3（0001）薄膜生長初期的模擬研究[D];電子科技大學(xué);2004年

6 涂清云;化學(xué)氧化La-214體系的超導(dǎo)電性及相關(guān)物性的實驗研究[D];北京師范大學(xué);2002年

7 郭宇鋒;低維結(jié)構(gòu)和器件的物理力學(xué)耦合研究[D];南京航空航天大學(xué);2005年

8 顧曉;金團簇，納米管與杯芳烴分子晶體的理論研究[D];復(fù)旦大學(xué);2007年

9 徐錦鋒;復(fù)相合金的快速凝固及電阻率研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

10 付宏志;TiAl基金屬間化合物Co_2TiAl的第一性原理研究[D];四川大學(xué);2007年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉丹;Zn-Sb納米膜熱電材料的脈沖電化學(xué)法制備及性能研究[D];長沙理工大學(xué);2009年

2 高良秋;溶膠—凝膠法制備NiCuZn鐵氧體薄膜和粉體的研究[D];蘭州大學(xué);2010年

3 李金鑫;固態(tài)燒結(jié)法制備的Pr~（3+）摻雜12CaO·7Al_2O_3粉體發(fā)光性質(zhì)研究[D];東北師范大學(xué);2010年

4 李迎春;密度泛函理論研究金團簇和有機分子之間的相互作用[D];魯東大學(xué);2009年

5 葛曉嵐;乙二醇和液體燃料合成的理論與實驗研究[D];浙江大學(xué);2011年

6 王緒超;石油稠油降黏計算研究[D];武漢理工大學(xué);2010年

7 焦莎莎;AlGaN/AlN/GaN 異質(zhì)結(jié)二維電子氣的磁輸運特性研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

8 梁婷;Ni-Cr-Al合金高溫氧化及影響機理研究[D];沈陽師范大學(xué);2011年

9 涂于飛;第一性原理研究Os_xW_(1-x)B_2和Re_xW_(1-x)B_2合金以及C_(14)N和C_(13)N_2的結(jié)構(gòu)及其彈性性質(zhì)[D];河南大學(xué);2011年

10 何亞蒂;固溶摻雜二元鎂合金力學(xué)性能計算[D];大連理工大學(xué);2011年

  本文關(guān)鍵詞：硼碳化合物的力學(xué)，，電子和熱力學(xué)性質(zhì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：263977