超硬材料5d过渡金属氮化物、硼化物和碳化物的新进展

回顾了最近几年有关新型超硬材料——5d过渡金属氮化物、硼化物和碳化物的研究进展.阐述了此类材料弹性性质优劣的起源,分析了电子结构与弹性之间的关联性,并提出了此类材料需要解决的关键问题.     

新型超硬材料BC2N的第一性原理研究

应用基于粒子群优化算法的卡里普索（CALYPSO）晶体结构预测方法, 我们发现了一种新型的具有四方结构的BC2N的同素异形体, 空间群为I4/MMM. 利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对该新型BC2N结构的电子能带结构、 态密度、 以及弹性性质展开了深入的研究. 计算结果发现： 此BC2N结构动力学稳定, 并且具有较大的体弹模量 (3544 GPa) 和剪切模量 (3755 GPa); 同时, 理论计算还表明该结构是一个带隙宽度为216 eV的直接带隙半导体, 其维氏硬度值可达到656 GPa. 因此, BC2N有望成为一种潜在的新型超硬材料和发光材料. 本工作将为人们探索新型的超硬材料提供一定的理论依据.     

5d过渡金属碳、氮化合物在超硬材料方面的应用前景

随着科学技术的发展,工业上对各种功能材料的需求越来越多.与此同时,各种计算软件程序的开发使得计算机理论计算的能力也不断提高,因此越来越多的物理、化学和材料等领域的研究分支也日益壮大.近年来,伴随一些过渡金属碳、氮化合物在一定实验条件下的合成,过渡金属碳、氮化合物独特的一些物理性质如高熔点、高硬度及超导性等被人们逐渐重视.在切割工具、扩散障碍层、太阳能电池等工业应用方面过渡金属碳、氮化合物具有广泛的应用前景,因而引起了众多科学家的研究兴趣.     

新型超硬材料I-4碳的第一性原理研究

应用基于粒子群优化算法的卡里普索(CALYPSO)晶体结构预测方法 ,发现了一种新型的具有四方结构的C的同素异形体,空间群为I-4,将其命名为I-4碳.利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对I-4碳的电子能带结构、电子态密度、声子谱、弹性常数以及体弹模量进行研究.计算结果发现:I-4碳动力学稳定,并且具有较大的体弹模量(432.12 GPa)和剪切模量(488.46 GPa);同时,从理论上算出其维氏硬度值可达到83.35 GPa.计算结果表明:I-4碳有望成为一种潜在的超硬材料.     

超硬材料刀具CAPP系统设计

介绍了综合应用Visual Basic、Visual Access和AutoCAD软件,结合超硬材料刀具生产工艺特点设计超硬材料刀具CAPP系统的方法。     

山东省超硬材料工程技术研究中心

2005年2月，山东省超硬材料工程技术研究中心（以下简称中心)组建工作正式启动。该中心是由济宁市科技局和邹城市政府主管，以山东大学和邹城市新益达冶金有限公司为依托单位组建的在国家经济产业和技术政策指导下由心按照山东省经济发展战略和高拄术产业化要求通过项目的研究与开发努力促进山东省超硬材料行业的发展。     

Hf2B5超硬材料的结构、稳定性、力学及电子性质研究

目的 设计具有超硬结构的硼铪化合物并研究其结构的稳定性、力学性质及电子性质。方法 结合基于粒子群优化算法的晶体预测技术和基于密度泛函的第一性原理计算方法对Hf₂B₅晶体进行结构预测和物性计算。结果 预测了一种六方相P6/m-Hf₂B₅结构,形成焓、声子谱、弹性常数计算结果表明该结构是热力学、动力学及力学稳定的,高的弹性常数和体弹模量以及小的泊松比说明这种结构具备超抗压缩性,电子态密度分析表明此结构中均存在强的B-B和Hf-B共价键。结论 计算表明P6/m-Hf₂B₅的理论硬度高达37.6 GPa,是一种潜在的高硬度硬质材料。     

高压下石墨超硬相的电阻率测量

采用高压下精确的原位电阻率测量技术,利用高浓度硼掺杂的金刚石薄膜制备微电路,在0～34 GPa测量石墨的电阻率随压力的变化规律.结果表明:在第一和第二个压力循环中,石墨超硬相电阻率不连续变化,分别出现在15.1 GPa和17.9 GPa;相存在的最低压力为8 GPa.     

硬脆材料加工中超硬刀具的应用

在硬脆材料的加工中,对刀具材料的要求越来越高,硬度高、性能好的刀具已成为加工过程中理想的刀具。近年研制成功的超硬刀具,由于的性能好,耐用度高、综合成本低等特点,应用越来越广泛。本文主要针对超硬刀具在硬脆材料中的应用进行分析,使超硬刀具在今后能够得到更好的发展以及更加广泛的应用。     

超硬材料专业化学实验课程的改革与实践

材料与工程学院超硬材料专业开设的工程化学课程是该专业重要的技术基础课,而实践性教学环节与之是相辅相承,不可缺少的。随着工程化学课程的教改,与之相配套工程化学实验课程也进行了教学改革,其目的就是所开设的实验突出实际应用,从而注重学生各种能力培养。     

超硬材料精密小深孔珩磨工具的研制

从分析国内外现有珩磨工具存在的问题入手,着重决超硬材料精密小深孔珩磨加工中走偏量较大,圆度误差较大等问题,提出了一种三导向的ＢＴＡ型珩磨工具结构,使超硬材料精密小深孔加工的质量得到了很大提高。     

超硬镗刀CAD/CAPP集成系统设计

本文介绍了超硬镗刀CAD/CAPP集成系统的组成和工作原理。重点阐述了系统中CAD模块的计算方法和工作原理;CAPP模块的设计方法。     

三元硼化物TaNbB2的结构、力学性质及电子结构研究

目的 研究三元过渡金属硼化物TaNbB₂的结构、力学性质及电子结构。方法 基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理和粒子群优化算法(CALYPSO)晶体预测技术。结果 预测了三元过渡金属硼化物TaNbB₂在0 K,0 GPa下的基态相为一空间群为Amm2(No.38)的正交结构。通过形成焓、声子谱的计算以及基于弹性常数的力学稳定判据证明其能够稳定存在于常温常压。同时也系统研究了TaNbB₂的弹性性质、弹性各向异性和电子结构。结论 证明了Amm2-TaNbB₂是一种硬度、力学各向异性优异的晶体材料,并从原子尺度获得了其微观结构和宏观力学性质之间的关系,为工程应用、实验合成以及理论研究提供帮助。     

非对称声学超材料的各向异性反射特性及等效参数

针对非对称声学超材料的异常声学特性问题,设计了材料非对称、几何非对称和共振非对称3种结构,深入研究了各向异性反射特性及等效参数的产生机理。通过仿真和实验研究了3种非对称声学超材料的声学特性,研究表明当材料非对称和几何非对称形成非对称共振特性时,可实现各向异性的反射相位,考虑材料损耗下还可进一步实现各向异性的反射幅值。非对称共振特性还产生了各向异性的等效参数,进而提出了改进的直接法来求解非对称声学超材料的统一等效参数,求解的统一等效参数和透射幅值存在对应关系并且满足被动材料的要求,验证了该方法的正确性。该研究结果可为设计具有零反射的声学器件提供一定的参考。     

磷酸钇晶体物理性质及本征缺陷的研究

运用GULP软件并采用已有的势参数计算了理想YPO_4晶体的物理性质和本征缺陷,得到的晶体结构参数与实验结果基本吻合.根据计算得到的力学性质表明,YPO_4晶体在(100)方向的抗应变能力最强.对YPO_4晶体的热学性质的计算结果表明,不能忽略在高温条件下振动熵对YPO_4晶体本征点缺陷形成能的影响.由本征点缺陷形成能的计算结果得知氧空位和氧的弗伦克尔缺陷在晶体中相对容易形成.     

基于曲面力学超材料的吸能减振设计

爆炸冲击载荷严重威胁了国防和工业装备的服役安全,吸能缓冲材料可有效降低冲击引起的结构振动和破坏。泡沫铝等传统吸能材料力学性能较为单一,设计域大小有限,亟需发展新型吸能缓冲材料。基于冲击响应数值模型,系统研究了冲击过程中多孔材料的吸能机理,表明吸能材料强度适中时才能发挥较好的缓冲减振效果;为了实现吸能材料的定制化设计,进一步基于机器学习和遗传算法设计了具有不同吸能特性的曲面力学超材料,并通过仿真结果验证了曲面力学超材料在吸能减振中的有效性。该研究为新型吸能材料和降冲击优化设计提供了重要的技术支撑。     

超材料圆柱壳电磁隐身效果数值仿真研究

以无限长超材料圆柱壳为理论模型,研究隐身超材料这种新型人工复合材料。基于Pendry坐标变换法,在压缩柱坐标系中,分析理想超材料电磁参数分布特性。为满足透波隐身,圆柱壳材料相对电容率和磁导率均是二阶旋转对称张量,在内界面处各向异性程度最高,参数径向分量趋于无限大,强烈抑制该方向电磁波的传播。运用全波仿真方法,从场总能量密度分布角度,比较研究了理想超材料与分层超材料、有耗超材料圆柱壳的电磁隐身效果,结果表明超材料具有良好的透波隐身性能。最后,针对隐身结构实际使用环境,对各向同性介质空间隐身圆柱壳的参数设置作了说明。     

电磁超材料及智能超材料隐身技术发展现状及趋势

从武器装备的实际电磁攻防需求出发，聚焦于超材料在电磁领域的应用，简单回顾了电磁超材料的发展历程和实用化进程，着重介绍了近年来最可能产生颠覆性技术的领域——智能可重复编程超材料及基于其的智能隐身系统。基于长期对电磁隐身、新型电磁器件的研究，结合实践经验，对目前超材料隐身技术成熟度进一步提高所面临的难点进行分析，并对未来的发展做出了建议和展望。