氢气在Ti原子掺杂的镁薄膜表面的解离和扩散研究

基于密度泛函理论计算,研究了氢气分子与Ti原子掺杂的镁薄膜表面的相互作用。结果表明,Ti原子替代在镁薄膜表面第二层的位置最稳定。氢气在Ti原子掺杂的镁薄膜表面(Ti原子替代在第二层)的解离势垒下降至0.76e V。第1个氢原子扩散势垒是0.11 e V,氢原子离开Ti原子扩散至更远的位置,而不是吸附在Ti原子旁边;催化剂原子不会与先解离的氢气原子成键。研究表明,掺杂Ti的镁薄膜是一种拥有良好性能的储氢材料。     

FIRST-PRINCIPLES STUDY OF OXYGEN ATOM ADSORPTION ON γ-TiAl(111) SURFACE

运用第一性原理方法对氧原子在γ-TiAl（111）表面的吸附研究表明，氧原子倾向于吸附在近邻表面层多Ti的位置，随着覆盖率的增加，表面不同位置吸附能差别减小．电子结构分析发现，氧原子同表面金属原子形成以离子特性为主的化学吸附．氧化学势对TiAl表面稳定性影响的研究表明，γ-TiAl（111）清洁表面只能在氧化学势很低时可以稳定存在，氧化学势稍高，清洁表面就变得不稳定，氧原子开始吸附，并迅速达到高覆盖率的情况．     

氢、氧原子刻蚀CVD金刚石涂层石墨相的机理研究

采用第一性原理分子模拟计算方法对氢、氧原子刻蚀石墨相的过程进行分子动力学仿真，分析了2种原子在石墨相上的吸附过程及刻蚀反应的反应热和反应能垒。结果表明:氧原子在石墨相表面的吸附能强于氢原子吸附能，同时氧原子的化学反应活性大于氢原子的，更容易在石墨结构表面发生电子转移反应；氢原子促使石墨相表面的C—C键断裂需要两步反应，而氧原子则只需要一步反应，氢原子刻蚀石墨相的反应能垒比氧原子的高，所需能量更多。同时，通入含氧气源可以有效降低CVD金刚石涂层的沉积温度，提高金刚石涂层的质量。      

Au吸附清洁及H化Si(001)表面的第一原理研究

用第一原理理论研究了Au吸附于清洁及H化Si(001)表面的特性.结果表明,对于清洁表面,Au原子的吸附能够打断衬底Si层的二聚体化学键;在低温下,Au原子停留在表面,但由于具有较小的扩散势垒,比较容易扩散到Si衬底中.而Au原子在H-Si(001)表面的吸附则不会打破衬底Si二聚体键,这一点与清洁表面的吸附性质完全相反.     

Au吸附清洁及H化Si（001）表面的第一原理研究

用第一原理理论研究了Au吸附于清洁及H化Si（001）表面的特性。结果表明，对于清洁表面，Au原子的吸附能够打断衬底Si层的二聚体化学键；在低温下，Au原子停留在表面，但由于具有较小的扩散势垒，比较容易扩散到Si衬底中。而Au原子在H-Si（001）表面的吸附则不会打破衬底Si二聚体键，这一点与清洁表面的吸附性质完全相反。     

MoO_4~(2-)对2205双相不锈钢氢脆敏感性的影响

采用电化学阻抗谱研究了钼酸盐在双相不锈钢表面的吸附行为,进而研究钼酸盐对2205双相不锈钢氢渗透行为的影响。结果表明,MoO42-通过吸附,在试样表面形成一层表面阻挡膜;Mo O42-能够抑制H原子在双相不锈钢表面的吸附,降低表面的H数量以及氢的浓度梯度,使H原子在双相不锈钢中的扩散驱动力减小,降低氢原子在双相不锈钢中的扩散速率和双相不锈钢的氢脆敏感性。     

抗菌钛材

锐钛型氧化钛在紫外线照射下具有光催化作用，而一般的金属钛表面稳定的氧化股是金红石型，没有光催化作用．利用锐钛型氧化钛的光催化作用可制备高性能抗菌钛，这种氧化钛在紫外线照射下，易产生空穴，并在表面产生桥出相，产生空穴的地方，其表面吸附的水分被氧化，产生具有极强氧化作用的氢氧基，它可杀死周围的菌类，使恶臭等有机物分解为CO。和H刃．这种钛表面的氧化膜并不是与金屈钛相分离的表面层，而是从钛层、氧扩散层、富氧层到To～Ted；－Ti02变化的连续层，实际上是一种梯度功能材料．抗菌钛是一种几乎与纯钛相近的材料，在…     

LaNi5（111）表面结构及吸氢机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法,对贮氢合金LaNi5及LaNi5(111)表面的电子结构进行计算,对H原子在LaNi5(111)表面吸附模型进行构型优化.结果表明:LaNi5(111)表面驰豫结构La原子向外凸出,Ni原子向里收缩,凹凸不平的表面层增加表面原子与H原子的接触面积,表面层的有效体积约增大2.3%,有利于H原子向块体内扩散;表面层有净余的0.5个电子,有利于表面层上的电子转移到H原子上;H2分子解离成两个H原子后在LaNi5(111)表面的平衡稳定结构与氢化物LaNi5H7晶体相同位置的结构极为相似;阐述H2分子在LaNi5(111)表面的解离吸附机理,其反应活化能约为0.27 ev.     

铌表面氧吸附和扩散的第一性原理研究

铌(Nb)合金的易氧化问题阻碍其广泛的高温应用。利用第一性原理计算方法在原子层次上研究了Nb表面氧(O)的吸附和扩散行为。计算了O在Nb(110)表面上不同高对称吸附位点的结合能,并分析了覆盖度(θ_H)对O的结合能的影响。结果表明:Nb(110)表面最稳定的O吸附位点是洞位(3f),O覆盖度的增加使得Nb—O表面体系的稳定性降低。通过计算O从表面向体相扩散的能垒,发现在低O覆盖度(θ_H=1/9 ML)时,O通过表面层的八面体间隙向体相内迁移比直接跃迁更容易。随着O覆盖度的增加(θ_H=5/9 ML),O容易被Nb的表面层所捕获,且从体相内部向表面的扩散比低O覆盖度时更困难。     

H2O分子在α-U(001)表面的吸附和解离

采用广义梯度密度泛函理论研究了H2O分子在α-U(001)表面上的吸附、扩散和解离。结果表明,H2O分子在α-U(001)表面的最稳定构型为平行于表面的顶位吸附结构,吸附能为0.58 eV。吸附作用主要源于H2O分子1b1轨道与表面U原子6d轨道的空间交叠,同时伴有弱的H2O 3a1-U 6d轨道交叠。近邻顶位间H2O分子的扩散能垒为0.20～0.23 eV,预示H2O分子易于在α-U(001)表面发生扩散迁移。OH+H解离吸附较分子吸附在能量上高1.24～1.39 eV,解离能垒为0.56～0.62 eV,预示一定热激活条件下,吸附H2O分子趋向解离形成OH基团和H原子。     

钛合金的高温固态渗氧-扩散固溶复合处理

为了提高钛合金的表面耐磨性能，发展了一种表面无氧化膜的高温固态渗氧．扩散固溶复合处理方法（OP-DS）。利用TGA，SEM，XRD，XPS及显微硬度计对OP-DS处理后的钛合金进行了研究。结果表明：OP-DS方法能显著提高合金表面层的硬度，硬化层深度随预渗氧时间的延长而增加；预渗氧处理时间对扩散固溶效果有很大的影响，适当的预渗氧时间可在表面形成无膜强化固溶层。从热力学及动力学角度对渗氧．扩散固溶机理进行了探讨。     

氧分子在黄铁矿和方铅矿表面的吸附

采用密度泛函理论对氧分子在黄铁矿和方铅矿表面的吸附进行研究。计算结果表明:黄铁矿和方铅矿表面经历了较小的弛豫;氧分子在黄铁矿和方铅矿表面都呈解离吸附状态,且在黄铁矿表面的吸附能远低于在方铅矿表面的吸附能;在黄铁矿表面上,氧原子分别与铁原子和硫原子键合,电子由铁原子和硫原子转移到氧原子上,主要由硫的3p态、氧的2p态和铁的3d态参与反应,铁与氧之间形成d→p反馈键,而在方铅矿表面上,氧原子只与硫原子键合,主要由硫的3p态、氧的2p态和铅的6p态参与反应,未形成反馈键;氧吸附后黄铁矿表面产生键合的铁原子和氧原子都产生自旋现象,而方铅矿表面原子及吸附的氧原子仍然是低自旋态的。     

镍基高温合金GH202表面纳米陶瓷涂层抗高温氧化性能研究

为了弥补高温合金抗高温氧化性能的不足,解决高温力学性能与抗高温氧化性之间的矛盾,在高温合金GH202合金表面增加含纳米高温陶瓷涂层CXM98-1,通过氧化动力学实验和能谱分析技术对涂层/基体合金体系的抗高温氧化性能进行了研究.实验结果得出:含纳米陶瓷涂层能有效的阻滞合金的高温氧化进程,极大的提高了合金的耐高温抗氧化性能.不论有无涂层,在900℃长时间扩散退火过程中,氧均通过涂层或金属表面向基体合金进行扩散,基体合金中的Cr、Al元素向涂层/基体合金界面上坡扩散,环境中氧原子通过涂层向基体合金扩散,在界面处靠涂层一侧主要形成Cr2O3扩散层,界面的基体一侧主要形成Al2O3晶间氧化层;有涂层与无涂层试样的区别在于氧的扩散速率和扩散通量存在快慢、大小的差别.     

电沉积CeO2薄膜对TP304H钢高温水蒸气氧化机制的影响

研究了TP304H钢表面电沉积CeO2薄膜在610-770℃水蒸气中的氧化行为的变化.结果表明,沉积CeO2薄膜可有效减缓氧化速度.SEM和EDX分析显示,氧化膜表面形貌由多层结构转化为单层,Cr元素扩散进入CeO2膜层而形成Cr-Ce复合氧化物膜层.表面形成的氧化膜中Cr浓度显著提高,CeO2膜处于外层氧化膜与基体之间,内氧化消失.根据CeO2特性和试验结果,由于CeO2中Ce离子具有处于富氧/贫氧环境中具有Ce^4＋/Ce^3＋两价和高氧空位浓度特性,认为沉积CeO2薄膜对氧向内扩散具有一定的阻挡作用,限制了CeO2薄膜/基体界面处的氧分压,使得Cr优先扩散穿过CeO2薄膜在CeO2薄膜/气体界面处氧化,从而推迟了Fe氧化物形成的时间.     

氧化温度对TiAlN薄膜成分的影响

采用磁控溅射方法在硬质合金表面沉积TiAlN硬质薄膜,并在400～850℃的温度下进行氧化处理,通过XPS分析氧化后薄膜表面层的物质组成及变化.结果表明:氧化后的薄膜表面层存在AlN,TiN,Al2O3,TiO2和N-O;随着氧化温度的升高,氧元素和铝元素增加,氮元素和钛元素减少,最终在薄膜表面形成一层耐高温的Al2O...     

In掺杂促进AuCuNi合金表面氧化膜形成的第一性原理计算

目的 采用第一性原理计算In掺杂促进AuCuNi合金表面氧化膜的形成机制,以为在金基合金中掺杂元素,促进表面氧化膜生成提供理论依据。方法 基于构建适用于第一性原理计算、原子比Au:Cu:Ni=9:5:2的晶体结构模型,对In掺杂AuCuNi体系模型的稳定性、偏析特性以及吸附特性进行计算。结果 In原子替代掺杂AuCuNi合金(111)面中各元素后形成新的AuCuNiIn表面,掺杂形成能均为负值,这说明In替位AuCuNi合金(111)面中任何一个原子都会促进AuCuNi表面的稳定性。当In替位掺杂AuCuNi表面第一层的Ni原子时,稳定性提升最大,掺杂形成能为–1.326 eV;当In替位掺杂AuCuNi表面第三层的Ni原子时,掺杂形成能最大为?0.503 eV,这表明当In原子掺杂到该位置时,体系稳定性的提升最小。通过偏析能的计算发现,掺杂后的In有向其他位点偏析的趋势,最易向偏析能最小的位点偏析,即向表层Ni原子偏析,偏析能为?0.739 eV。因此,使In原子替位掺杂第一层的Ni原子,形成最稳定的AuCuNiIn表面结构。此外,通过在AuCuNiIn表面吸附氧原子和计算吸附能发现,当原子顶位吸附时吸附能都比较高,这说明Au、Cu、Ni原子都不易在顶位吸附氧原子,其中T3(Au)位点的吸附能为0.034 eV,其值大于0,说明Au原子的顶位不会自发地吸附氧原子。表层原子中吸附能最低的几个位点H3(?3.571 eV)、H1(?3.462 eV)、B2(?3.021 eV)的氧原子均与In原子成键,这说明In原子附近更易吸附氧原子。最后,通过电荷差分密度图和布居分析,发现O原子与周围其他原子有明显的电荷转移,并与In原子、Cu原子和Ni原子形成键。这进一步表明O原子与周围原子发生化学反应,提高了材料表面的稳定性,证实了吸附能计算的准确性。结论 基于以上计算分析得出In原子的掺杂可以有效促进AuCuNi表面氧化膜的形成。通过第一性原理计算预测了元素掺杂对材料表面性能的影响,为掺杂促进材料表面氧化膜的形成提供了一定的理论参考。     

钛合金中α相对富氧层演化的影响（英文）

为了探索钛合金中富氧层的演化过程,在850°C空气气氛下热暴露近α型TA15和α+β型TC4钛合金,研究α相的含量对富氧层的形成和演化的影响,并通过第一性原理计算近似揭示氧在钛合金α和β相的迁移行为。结果表明,含有更多α相的TA15钛合金相对于TC4有着更大的富氧层扩散系数。第一性原理计算表明,间隙氧原子最稳定的位置是α钛的八面体间隙位置,并且氧原子在α钛中沿着平行于c轴[0001]方向上的最近邻八面体间隙之间的扩散需要最小的激活能,是氧原子在α和β钛中最有利的扩散机制。     

Fe-3％Si合金渗碳层中SiO2形成及性能

设计了一种新型的铁基二元合金—Fe-3％Si合金,并对其进行表面渗碳处理.借助于SEM、XRD、EPMA、硬度测定及摩擦实验等分析手段,研究了合金渗碳层的组织及其性能.结果表明:Fe-3％Si合金渗碳层组织中形成大量SiO2颗粒,基体主要由马氏体和残余奥氏体组成.渗碳初期,Si元素促进了碳在奥氏体中扩散并有利于奥氏体稳定性提高.但氧原子沿奥氏体晶界扩散并与晶界及其附近的Si结合形成网状SiO2,阻碍碳原子进一步扩散.渗碳处理后的Fe-3％Si表面硬度达到66 HRC,干摩擦条件下抗平面滑动摩擦磨损性能优于高铬铸铁.     

不同元素掺杂对氯离子在TiO_2膜扩散的影响研究

通过过渡态计算软件CINEB模拟了不同元素掺杂到金红石型TiO_2膜后,氯离子在TiO_2膜的扩散路径和对扩散势垒的影响。结果表明,TiO_2膜中扩散路径A具有更大的孔洞,钛和氯离子吸附性较弱,使氯离子扩散势垒较小,因此氯离子在路径A中更容易扩散。Al元素掺杂后铝原子失去电子转移到邻近的氧,氯离子和氧离子间存在较强的排斥作用,导致晶体结构畸变,有效阻碍氯离子扩散,提高耐腐蚀性能。Mo元素掺杂后,Mo的3d轨道与Cl的2p轨道有较强的杂化作用,Mo和Cl之间有较强吸附作用,使得氯离子很难脱离,因此提高材料的耐蚀性。Al、Zr、Mo、Nb的扩散势垒较高,对提高钛合金的耐腐蚀性能有显著作用。通过实验验证了Ti-5.5Al-3.0Zr-2.0Sn-0.8Mo-1.5Nb合金的自腐蚀电流最小,耐腐蚀性能最好,与计算结果一致。     

少无氧扩散处理对热浸镀铝奥氏体钢氧化开裂影响的实验研究

对扩散热处理后的热浸镀铝1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢进行1000℃高温氧化试验,发现直接扩散处理试样在氧化120 h后表面出现明显开裂,而少无氧扩散处理试样经500 h氧化后表面完好。通过金相显微镜、扫描电镜和能谱仪的观察及分析表明,由于扩散前期在外扩散层形成的Fe-Al合金(脆性相Fe2Al5和条状FeAl2)为氧提供了扩散通道,导致直接扩散试样的合金层内产生了内氧化空洞,在高温氧化阶段,内氧化占据主导地位,使镀层表面开裂。少无氧扩散能够防止氧进入合金层内部,而且随着扩散的进行,合金层的相组成及形态变化也对氧向内扩散起阻碍作用。少无氧扩散试样的高温氧化由外向内进行,延缓了合金层的开裂和脱落。