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。     

物质的硬度与结构的关系

本介绍了硬度的概念，对离子晶体、原子晶体、金属晶体等固体的硬度与结构之间的关系进行了总结，指出了晶体的硬度由微粒间结合力的强弱即键能的大小来决定。     

在高压下CrB4 的结构和电子性质的第一性原理计算

该论文对新合成超硬材料CrB4 的结构和电子性质从0 GPa到100 GPa的压力范围内，采用密度泛函理论下的第一性原理计算进行了详细的理论研究. 在零压力下的结果与现有的理论和实验值吻合得很好. 计算了CrB4 的结构，键长，B–B、Cr–B键的Mulliken重叠布居，态密度（DOS）和PDOS等随压力的依赖，并进行了讨论. 计算出的结构性质随压力的依赖表明，结构参数和CrB4 共价键对压力不敏感，有力地支持了CrB4化合物的高硬度是来自于B–B笼这一特点.     

Mg掺杂GaN电子结构及光学性质的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论,用广义梯度近似方法(GGA)计算了Mg掺杂纤锌矿GaN的电子结构和光学性质,分析了能带结构与电子态密度以及掺杂前后GaN体系的介电函数与能带结构之间的关系。计算结果表明掺有Mg的GaN晶体的晶格常数及禁带宽度增加,并在价带顶引入受主能级,通过对比分析掺杂前后GaN晶体的介电函数和光学吸收谱,解释了体系的发光机理,为GaN材料光电性能的进一步开发与应用提供了理论依据。     

超硬材料的设计理论取得进展

寻找硬度与金刚石相当或超过金刚石的新型超硬材料的研究已有相当长的历史,并在近几年重新活跃起来.完全依靠理论来设计新型超硬材料一直是材料科学家的梦想.从原理上讲,这完全可能,因为材料的组成原子和物理学的基本定律就决定了材料的性能.第一性原理计算在预测材料性能方面发挥着重要作用.尽管第一性原理计算在只使用材料成分的情况下就可预测材料性能,但只局限在与材料的电子行为和     

SnS电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法, 建立了SnS超晶胞模型并进行了几何结构优化, 对其能带结构、态密度、电荷密度及光学性质进行了模拟计算. 结果显示, SnS是一种直接带隙半导体,计算所得的带隙值0.503 eV低于实验值的1.3 eV.态密度计算表明,SnS是具有一定共价性的离子键晶体.当光子能量在0 ~ 3.10 eV和大于7.47 eV范围内时,晶体表现为介电性,在3.10 ~ 7.47 eV范围内晶体表现为金属性.SnS具有数量级105 cm-1的吸收系数,能强烈地吸收光能.     

单斜相二氧化铪电子结构与光学性质的计算

基于密度泛函理论,利用超软赝势平面波方法首先对单斜晶相二氧化铪(m-HfO2)的电子结构进行了第一性原理计算,得到了能带结构、总态密度与分态密度.然后,对m-HfO2的光学线性响应函数随光子能量的变化关系进行了理论预测,计算得到了复介电函数、折射率、反射谱、吸收谱、光电导等光学性质,并从理论上对电子结构与光学性质之间的关系进行了分析讨论.     

高压下超硬材料VB晶体稳定性及物理性质

钒硼化物在新型超硬材料探索过程中脱颖而出,成为未来超硬材料的研究重点。研究过程中所有的计算均采用第一性原理密度泛函理论方法,在VASP软件中实现的。交换关联泛函采用General Gradient Approximate(GGA)的形式,价电子波函数由projector-augmented wave (PAW)方法来处理,截断能为550 eV;通过应力-应变方法计算在0、20、40、60、80、100 GPa压力下材料的弹性常数;通过Voigt-Reuss-Hill(VRH)近似方法获得材料的弹性模量、剪切模量、杨氏模量和泊松比等弹性性质。计算表明:VB在常压下的维氏硬度39.9 GPa,是一种潜在的超硬材料;VB是一种正交结构,一个晶胞中含有8个原子,且随着压力的增加稳定性增强;VB具有金属特性,是一种脆性材料。计算的数据与实验结果吻合,为进一步研究钒硼化物提供理论指导。     

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。     

硫铁矿晶体化学及前线轨道研究

运用基于密度泛函理论DFT(density functional theory)的第一性原理方法,计算了黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿晶体的Mulliken布居、电荷密度、差分电荷密度及前线轨道,并进行了分析.计算结果表明,黄铁矿和白铁矿晶体的铁原子带负电,硫原子带正电,铁-硫键之间主要以共价性为主,另外,黄铁矿硫-硫键之间...     

高压下碳化钛热力学性质的第一性原理计算

碳化钛熔点高、硬度高、化学性能稳定性好,工业上主要用来制造金属陶瓷、耐热合金和硬质合金.采用平面波密度泛函理论广义梯度近似计算了碳化钛的弹性常数、晶格常数、体积模量,所得结果与实验和其它理论值相一致;通过准谐德拜模型预测了碳化钛的相对体积与压强,体积模量分别与压强和温度,热容与温度的变化关系,结果表明:温度对体积模量的影响远小于压强对体积模量的影响.该研究对碳化钛在高温高压下的应用具有指导意义.     

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.     

第一性原理研究c-BN和h-BN的弹性性质与电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对c-BN和h-BN的弹性性质和电子结构进行理论计算,通过Voigt-Reuss-Hill方法计算得到多晶体的体模量、切变模量及杨氏模量.结果表明:c-BN和h-BN的弹性模量分别为913 GPa和239 GPa,切变模量分别为409 GPa和98 GPa,硬度分别为67和16 GPa.K/G和泊松比均表明2种化合物具有很大的脆性.同时,根据计算得到的2种化合物的电子结构图进一步分析了二者弹性性质的差异.     

水化硅酸钙力学参数跨纳-微观尺度计算方法

为了准确高效地基于分子动力学模拟计算微观尺度高、低密度水化硅酸钙(C—S—H)的力学参数,选用7种常用的C—S—H晶体类似物结构和三种多孔介质力学模型进行对比分析研究。首先在纳观尺度通过分子动力学模拟得到C—S—H晶体类似物结构的体积模量、剪切模量、弹性模量和泊松比四个力学参数;并与第一性原理计算得到的结果进行对比,以此为基础,再应用多孔介质力学模型计算获得微观尺度高、低密度水化硅酸钙的相应力学参数;并与已有文献实测的高、低密度水化硅酸钙弹性模量进行验证。结果表明,与第一性原理计算相比,6种Tobermorite晶体结构模型的力学参数计算平均误差约20%; Jennite晶体结构模型计算平均误差达59%。采用C—S—H晶体类似物结构Tobermorite 14,结合Mehta或张俊彦的多孔介质力学模型进行模拟计算,效果最佳。C—S—H晶体结构类型对C—S—H跨纳-微观尺度力学参数准确性影响最大。提出的基于分子动力学模拟和多孔介质力学模型进行水化硅酸钙力学参数跨纳-微观尺度计算方法,避免了采用大规模分子动力学模拟获得高、低密度水化硅酸钙的微观力学参数,计算效率高且结果可靠。     

金属材料弹性模量随机场相关特性的实验与分析

利用弹性模量和硬度的联系,完成了铝合金LY12CZ-M和合金钢30Cr Mn Si A弹性模量随机场相关特性的实验测量及分析。具体工作包括测量试件空间各点的洛氏硬度,并以区域化变量理论中的相关函数为工具对测量数据进行统计分析。分析结果表明:金属材料弹性模量随机场的变异系数在7%左右;随机场的空间连续性较好,不存在块金效应;相关函数模型宜选用单指数型;随机场不同方向上的相关特性几乎相同。     

YbB6晶体结构、物态方程、弹性和热学性质的第一性原理计算

基于第一性原理的密度泛函理论及准谐德拜模型, 研究了YbB6的晶体结构、状态方程(EOS)、弹性性质和热学性质. 计算得到的YbB6晶体晶格常数、体弹模量、弹性常数和实验符合得很好. 状态方程的研究结果显示, 压强和温度对YbB6晶体体积的影响都非常显著, 在高温和低压下, 压强对YbB6晶体体积的影响比在低温和低压大. 在讨论的压强和温度范围内, 压强对YbB6晶体的体弹模量的影响要比温度的影响大. 弹性常数及与弹性相关量的计算结果显示, 在零温零压下, YbB6晶体结构是稳定的, 具有延展性, 是中心力场固体. 计算的定压、定体热容及热膨胀系数的结果表明, 压强对YbB6晶体的热容和热膨胀系数的影响比温度的影响小.     

弹性—线性硬化材料硬度的简便计算法

本文在实现布氏硬度数值解析的基础上，通过对各种弹性－线性硬化材料的硬度解析结果的综合分析，导出了用出服应力和加工硬化率计算材料硬度的简便公式。     

AlMgB_（14）三元超硬硼化物的实验制备与理论研究

三元硼化物AlMgB14材料具有高硬度,高韧性,低密度,低摩擦系数以及抗高温氧化腐蚀等众多优异性能,在工具、模具、微机械制造及航空航天关键零部件等领域具有重要的应用前景.本文采用多靶射频磁控共溅射技术,以高纯度Al（99.99%）,Mg（99.95%）,B（99.9%）材料为溅射靶源,在单晶Si（100）衬底上溅射沉积得到了表面均匀致密,不同化学组分的Al-Mg-B三元非晶态薄膜,通过调控溅射参数,可以实现原子比接近Al：Mg：B=1：1：14.对于所制备的薄膜样品,在三元相图上沿Al-Mg等含量线,Al-Mg-B材料的硬度,随着B元素含量增加由13GPa增大到32GPa,其中AlMgB14附近成分点的硬度达到25~32GPa.同时,采用第一性原理计算,得到AlMgB14晶体的维氏硬度为27.6GPa,与实验值接近.通过电子结构分析,我们进一步探讨了AlMgB14晶体和其他相似结构富B三元化合物硬度的起源,发现他们共同具有的B12二十面体骨架是决定硬度的主要因素.Al,Mg等金属元素主要通过向B12的电荷转移对材料硬度进行微调,Al-B之间形成了弱的共价键而Mg-B之间形成离子键,这点同时也为XPS实验谱图所证实.采用准简谐近似德拜模型,我们还研究了AlMgB14晶体的热学性质以及温度对体弹性模量的影响,发现体模量随温度增加明显的减小,同实验上提高衬底温度对硬度的增强呈现了相反的变化趋势.这从侧面说明了衬底温度提高导致的硬度增强并不是改变了材料的本征硬度,而可能由于加强了薄膜同衬底间附着力.     

层状周期压电复合材料的动态有效性质分析

基于细观力学的均匀化理论,对层状周期压电复合材料进行均匀化处理。推导了布洛赫波下层状周期压电复合材料的均匀化本构关系及频散关系,并通过退化验证了理论推导的正确性。以PZT-5H/BaTiO_3复合而成的层状周期复合材料为例进行数值计算,得到了动态有效模量与频率之间的关系。将经典弹性问题的均匀化理论推广到了压电耦合问题,为预测压电复合材料动态力学性能提供了方法。     

第一性原理研究TiH_2的结构和热力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了TiH2原胞体系的晶体结构、电子结构和总能,获得了体系的稳定晶格常数、总体能量与体积的函数关系.并利用准谐德拜模型研究了在不同温度(T=0～1800K)和压力(P=0～140GPa)下TiH2的热力学性质,如弹性模量与压强,热熔与温度,热膨胀系数与温度或压力的变化关系.结果表明:TiH2的晶格常数与实验值符合较好;在一定温度下,相对体积、热熔随着压强的增加而减少,德拜温度、弹性模量随着压强的增加而增加;而定容热容CV随温度升高而升高,高压下温度对TiH2热膨胀系数的影响小于压强对热膨胀系数的影响.