La和S共掺SnO2材料性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理和平面波超软赝势法,采用广义梯度近似法对La和S共掺SnO2的掺杂参数进行模拟计算,进而研究掺杂结构的稳定性、弹性性质和导电性能。结果表明,随着S原子浓度的增大,掺杂体系的形成能增大,稳定性随之下降;与单掺相比,共掺体系的硬度减小,韧性增强,并且其韧性随着S原子浓度的增大而逐渐减小;La和S共掺仍属于P型掺杂,在禁带中引入了新的杂质能级,窄化了带隙,导电性能增强,随着S掺杂浓度的提高,S-3p轨道与Sn-5s、La-5d轨道的杂化作用增强,在禁带中引入了更多的杂质能级,导电性能进一步提高。     

RhZr2电子结构和弹性性质的第一性原理

通过基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)的第一性原理(First Principles),分别应用广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)平面波超软赝势法,计算四方晶相RhZr2基态的电子结构和弹性系数矩阵。对四方晶相结构的RhZr2进行几何优化,对其能带结构、总态密度和分态密度以及差分电荷密度进行研究,并计算RhZr2晶体的原胞总能量与形成焓。计算得到RhZr2的弹性系数C11、C12、C13、C33、C44、C66分别为195.38、176.80、109.00、235.65、11.12、24.51GPa,体积模量为156.92(±2.22)GPa,在[100]、[010]和[001]方向上的杨氏模量分别为34.77、34.77、171.80GPa,切变模量Gxy、Gzx、Gzy分别为24.79、14.57、19.68GPa。     

K掺杂正交相Ca2Si电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用第一性原理的平面波赝势方法和广义梯度近似(GGA),对K掺杂正交相Ca2Si前后的电子结构和光学性质进行比较分析。计算表明,掺K后正交相Ca2Si的能带向高能方向发生了偏移,形成直接带隙的p型半导体,禁带宽度为0.4318 eV,光学带隙变宽;掺杂K后价带主要是Si的3p态,Ca的3d、4s态以及K的3p、4s态的贡献。并利用计算的能带结构和态密度分析了K掺杂正交相Ca2Si前后的复介电函数、能量损失函数、反射光谱及吸收光谱,结果显示掺K增强了材料对太阳光谱中红外波段的能量利用。研究结果说明掺杂是改变材料电子结构和光电性能的有效手段,为Ca2Si材料光电性能的开发与应用提供了理论依据。     

氮掺杂锐钛矿TiO2的电子结构与光学性质的第一性原理计算

用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了氮掺杂锐钛矿TiO2的电子结构和光学性质。研究了氮掺杂对TiO2能带带隙的影响,计算结果表明,随着N的掺入,TiO2能带间隙减小,同时TiO2由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体,电子跃迁的几率增大。掺杂N之后,TiO2的静态介电常数变小,同时在介电函数中,虚部在低能量处就出现峰值。     

极端不可压缩Re2P的电子结构、化学键及弹性性质的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论（DFT）的广义梯度近似（GGA）,研究Co2P类型结构的极端不可压缩Re2P的电子结构、化学键和弹性性质。能带结构显示Re2P为金属性材料;态密度和分态密度的计算结果表明,费米能级附近的态密度主要来自Re-5d态;布居分析表明Re2P中的化学键具有以共价性为主的混合离子一共价特征。计算得到Re2P的晶格参数、体模量、剪切模量和单晶的弹性常数,由此导出弹性模量和泊松比。结果表明,Re2P是力学稳定的,且具有一定的脆性。     

Bi掺杂Mg2Si的稳定性,弹性性能和电子结构的第一性原理计算

从动力学角度研究合金元素Bi对Mg_2Si的掺杂情况,采用CASTEP中基于密度泛函理论的第一性原理方法分析了合金元素Bi掺杂Mg_2Si的占位情况、结构稳定性、弹性性能和电子结构。计算结果表明:Mg_2Si、Mg-7Si_4Bi、Mg_8Si_3Bi均可稳定存在于体系中,Bi原子优先占据Mg_2Si晶体中Si原子位置,Mg_8Si_4Bi间隙固溶体不稳定存在体系中;Mg_Si、Mg_7Si_4Bi、Mg_8Si_3Bi均为脆性相,掺杂合金元素Bi后可以提高Mg_Si的韧性、合金化能力和导电性;Mg_2Si的成键本质是金属键、共价键和离子键的结合,Bi原子掺杂Mg2Si后产生Bi-Si和Bi-Mg键合作用,有利于提高体系的稳定性。     

TiB2和TiB弹性性质的理论计算

采用基于密度函数理论的赝势平面波方法和广义梯度近似对TiB2和TiB化合物的弹性性质和电子结构进行了理论计算,并用Voigt-Reuss-Hill方法计算得到多晶体的弹性模量和切变模量。结果表明：TiB2和TiB的弹性模量分别为599 GPa和443 GPa,切变模量分别为268.5 GPa和193.5 GPa,Pugh定律和泊松比等经验判据表明TiB2比TiB脆性更大;并从这两种化合物的电子结构对其弹性性质的差异进行了讨论。     

Zr-Ti合金相稳定性与弹性性质的第一性原理研究

利用特殊准随机结构(specialquasi-randomstructure,SQS)超晶胞模型及第一性原理计算研究了Zr_(1-x)Tix合金中Ti含量及相结构(hcp与bcc结构,α相与β相)对合金相稳定性及弹性性质的影响。研究表明:从弹性性质上看,Ti含量增加会使Zr-Ti合金的结构更加稳定,Zr-Ti合金α相的结构稳定性普遍高于β相;Zr-Ti合金普遍具有延展性,Zr-Ti合金的α相具有更高的硬度并且其硬度和韧性都与Ti元素浓度成正比,Zr-Ti合金的β相具有更高的韧性;从电子结构上看,Ti不会显著改变hcp结构和bcc结构Zr-Ti合金系统的态密度(DOS),Zr-Ti合金系统的DOS分布中的费米能级与纯Zr系统的相似,Ti含量对Zr-Ti合金的相稳定性影响不大。     

Y掺杂MgZn2稳定性、电子结构和力学性能的第一性原理计算

目的 稀土元素Y掺杂是改善7xxx系铝合金断裂韧性的重要途径,然而因其掺杂量极低,通过实验很难测定微量Y对7xxx系铝合金析出相及强韧机制产生的作用,限制了7xxx系铝合金的进一步发展。采用第一性原理计算方法探究Y掺杂对7xxx系铝合金中重要析出相MgZn2的影响机理,为7xxx系铝合金的微合金化强韧机理研究提供理论依据。方法 构建适于第一性原理计算、Mg/Zn的原子数分数比为1∶2的晶体模型,Y原子通过替换Mg或Zn原子的方式进行掺杂,通过能量计算、电子计算和弹性常数计算等分析Y掺杂对MgZn2能量稳定性、电子结构和力学性能的影响机理。结果 经Y掺杂后,形成3种固溶体Mg3Zn8Y、Mg4Zn7Y-1和Mg4Zn7Y-2,它们的形成热均小于0,即它们均可自发形成且稳定存在。通过结合能计算发现,3种固溶体的结合能都小于MgZn2的结合能,说明Y掺杂促进了MgZn2的稳定性。通过电子结构分析发现,Y掺杂后与Mg、Zn原子形成强的共价键,增强了体系的稳定性,Mg-Zn原子间形成了强离子键,MgZn2中Zn-Zn原子间的共价键变为强离子键。力学性能计算结果表明,经Y掺杂后MgZn2的硬度降低、韧性上升, 即Y掺杂增强了7xxx系铝合金中重要弥散析出相MgZn2的韧性,从而提升了7xxx系铝合金的断裂韧性和抗疲劳能力。结论 基于计算结果分析得出,Y掺杂提升了MgZn2的稳定性、键合强度和断裂韧性,相关计算分析为微量Y掺杂增强7xxx系铝合金断裂韧性的实验分析提供了指导。     

V掺杂Ni3Al点缺陷结构及合金化效应的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究了V掺杂Ni3Al合金的电子结构和点缺陷结构.通过计算与实验结果对比选择了适合Ni3Al合金计算的近似方法,计算了含有各个缺陷的晶胞的晶格常数,形成热和结合能,点缺陷的形成能和平衡浓度,态密度和电荷密度.计算结果表明:Ni3Al合金中反位缺陷较空位缺陷易形成,NiAl是Ni3Al合金中最主要的反位缺陷,Al位最易形成缺陷,在1400 K时,空位缺陷的浓度远远低于反位缺陷的浓度.V加入Ni3Al合金体系中能提高合金的稳定性.     

低稀土含量的纳米复相α-Fe/Nd2Fe14B淬态合金微结构与微波电磁特性研究

对低稀土含量的Nd6Fe91B3合金进行熔体快淬处理,制备了由a-Fe相和少量的Nd2Fe14B相组成的纳米复相材料,并对其进行球磨处理25 h.研究了快淬速度对淬态合金的相组成、微观结构、微波电磁性能的影响规律.研究结果表明,随着淬度的提高,淬态合金中高磁晶各向异性的Nd2Fe14B相逐渐减少,材料的自然共振频率向低频移动,但样品微波磁导率随淬速的提高而升高.淬速为40 m/s的样品微波磁导率虚部在4.17 GHz获得最大值μrmax=4.66,其实部在1.55 GHz获得最大值μmax =7.88.同时,低稀土含量的纳米复相α-Fe/Nd2Fe14B材料具有良好的微波电特性,其复介电常数在2 GHz附近出现共振.由于磁损耗和电损耗共同作用,有利于该材料在GHz频段电磁波吸收材料中的应用.     

Mg17Al12、Al2Y及Al2Ca相稳定性与弹性性能第一原理研究

采用基于密度泛函理论的Castep和Dmol程序软件包,计算了Mg17Al12、Al2Y及Al2Ca相的结构稳定性、弹性性能与电子结构。形成热和结合能计算结果表明:Al2Y具有最强的合金化形成能力和结构稳定性;热力学性质计算结果表明:在298~573 K温度范围内,Al2Y的Gibbs自由能始终最小,其结构热稳定性最好,Al2Ca次之,Mg17Al12最差,Y和Ca合金化Mg-Al系合金形成Al2Y及Al2Ca利于提高镁合金的高温抗蠕变性能;弹性常数的计算结果表明:3种金属间化合物均为脆性相,Mg17Al12的塑性最好;采用弹性常数计算结果预测的Al2Y熔点最高,其结构热稳定性最好。态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明:Al2Y结构最稳定的原因,主要源于体系在Fermi能级以下区域成键电子存在强烈的共价键作用。     

添加15％Mo对反应熔渗Al制备MoSi2复合材料组织和力学性能的影响

采用在常规模压生坯中浸渗Al的方法,研究了MoSi2+Mo反应熔渗Al后的显微组织和力学性能的变化情况.研究表明MoSi2坯体在1350℃反应浸渗Al可使抗弯强度高达737 MPa,其断裂韧性也可达到4.3 MPa·m1/2,远远高于热压单相材料;然而其相成分中存在残余的Si相和Al相将会阻碍其高温应用;在MoSi2坯体中加入Mo粉可以消除残余硅相;经过计算,当Mo添加量为15%(质量分数,下同)时,可以完全消除Si相,并使Al相达到最低,而其强度并不降低.同时SEM观察表明,添加15%Mo后其断口显示晶粒间絮状夹层变成颗粒状黑色相面积较未加入Mo粉时减小.从而进一步证实添加15%Mo产生的组织变化将有利于该材料的高温力学性能.     

合金元素W对MoSi2显微组织和力学性能的影响

探讨了加入合金元素W对MoSi2材料组织和性能的影响.通过热压工艺制备T(Mo1-x,Wx)Si2合金试样.对合金试样的物相组成、断口形貌、微区成分及显微组织进行了分析,并对合金的硬度、力学性能及致密度进行了分析测试.结果表明,其主要物相为MoSi2、WSi2、W5Si3及少量的Mo4.8 Si3C0.6;合金元素W的加入细化了晶粒,强化了基体;使MoSi2复合材料的硬度明显提高,且随着W元素的增多,材料的抗压强度、硬度提高;相对密度呈先增后减的趋势,当Mo:W为6:4时,材料的致密度最高,达到95.32%;合金主要以穿晶和沿晶的脆性断裂为主,合金韧性没有明显改善.     

MoSi2和WSi2的价电子结构及性能分析

根据固体与分子经验电子理论，对MoSi2和wSi2的价电子结构进行了定量的分析，通过键距差方法计算了MoSi2和WSi2晶体中各键上的共价电子数．结果表明：在MoSi2和WSi2晶体中，沿（331）位向分布的Mo-Si和W-Si原子键最强，这些键上的共价电子数和键能分别影响化合物的硬度和熔点．晶体中晶格电子数影响其导电性和塑性，MoSi2晶体中含有较高密度的晶格电子，因此MoSi2的导电性和塑性比WSi2好．并从键络分布的不均匀性解释了MoSi2和WSi2脆性产生的原因．     

Mg-Al-Sn-Y合金中二元相的电子结构与弹性性质的第一原理计算

采用基于密度泛函理论的CASTEP程序包,计算了Mg-Al-Sn-Y合金中Mg_(17)Al_(12),Mg_2Sn和Al_2Y相的结构稳定性、电子结构和弹性性能等。合金形成热△H和结合能E_(coh)的计算结果表明,Al_2Y相具有最强的合金化能力与体系结构稳定性。电子结构的分析结果解释了这3种金属间化合物的结构稳定性机制和脆性本质。计算出了Mg_(17)Al_(12),Mg_2Sn和Al_2Y三相的3个独立的弹性常数,并进一步得出了体模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比等。分析表明Mg_(17)Al_(12),Mg_2Sn和Al_2Y三相均为脆性相,其中Al_2Y最脆且最硬。     

激光熔覆MoSi2粉末涂层的组织结构和性能

用XRD、SEM、EDAX和显微硬度仪研究了 4 5钢基体激光熔覆MoSi2 粉末涂层的组织结构和硬度。结果表明 ,由于基体的稀释作用 ,涂层的相组成为FeMoSi、Fe2 Si和少量的Mo5Si3 。涂层组织呈现典型的细小枝晶组织特征 ,枝晶为FeMoSi领先相 ,枝晶间为FeMoSi和Fe2 Si两相共晶 ,组织中无孔隙和裂纹等缺陷。Mo、Si、Fe线扫描成分分析表明 ,这些元素都分布在涂层 基体界面处 ,且缓慢过渡 ,基体与涂层发生互扩散 ,为冶金结合。涂层硬度可达 84 5HV0 5 ,基体硬度为 180HV0 5 ,涂层硬度比基体高 3 7倍。从涂层到基体硬度逐渐降低 ,过渡区比较缓和。     

MoSi2 材料的强韧化

综述了MoSi2及其复合材料的国内外研究现状和发展趋势.MoSi2具有良好的综合性能而被作为重要的高温发热元件材料和高温结构材料,但其室温脆性、低温氧化和高温蠕变制约了其工业应用.研究结果表明,合金化和复合化是MoSi2室温增韧和高温补强的主要途径.     

Morphology and structure of high temperature MoSi2 coating on niobium

The high-temperature oxidation-resistant MoSi2 coating on the Nb substrate was prepared by slurry firing. The structure, compositions and phase distribution of the coating and the relationship between these features and the oxidation resistance of the coating were investigated by SEM, EDS and XRD. The results indicate that the interface between the coating and the substrate has metallurgie combination, and a transitional layer is formed by diffusion. The multi-layer structure improves the oxidation resistance of the coating. The method of slurry firing to prepare the high-temperature MoSi2 coating on Nb is feasible. The SiO2 scale, which is formed on the surface of the coating by the self-oxidation of MoSi2, prevents the further diffusion of oxygen.     

纳米ZrO2颗粒增强MoSi2基复合材料的显微组织和力学性能

利用放电等离子烧结法(SPS)制备了MoSi2-ZrO2复合材料,研究了纳米ZrO2颗粒数量对MoSi2基复合材料显微组织和力学性能的影响.结果表明,在MoSi2基体中加入纳米ZrO2颗粒,能细化基体晶粒,改善力学性能;随着ZrO2含量的增加,复合材料的抗压强度随之增加,硬度和断裂韧性先增后减;当ZrO2含量为20%时,室温抗压强度、硬度以及断裂韧度分别为1857 MPa、1235 HV0.5和6.8 MPa·m1/2,与纯MoSi2相比,分别提高102%、19.8%和116%;经500℃氧化300 h后,复合材料氧化后的质量增加量是纯MoSi2的1/10左右.