5d过渡金属在Ni3Al中掺杂效应的第一性原理研究

5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir被广泛地应用于第4、5代镍基单晶高温合金中,但对于其机理却没有系统的理论研究。采用基于密度泛函理论(density functional theory)的第一性原理平面波超软赝势方法研究5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir掺杂镍基单晶高温合金γ′-Ni3Al相前后系统的晶格常数、形成热、结合能、态密度、差分电荷密度及电荷布局。计算结果表明:5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir掺杂Ni3Al系统后有优先占据Al原子位置的倾向,且与周围的Ni 3d电子和Al 3p电子发生强烈的轨道杂化,使电子被束缚,离域性变小,峰变窄;掺杂前系统中主要是Ni原子与最近的Al原子之间的共价键作用,掺杂后系统中主要是Ni原子与最近的X原子(Hf、Ta、W、Re、Ir)之间的共价键作用,且随原子序数的增大共价键逐渐增强。     

Mg2Si和MgCu2相电子结构、弹性性能第一性原理研究

本文通过第一性原理计算研究了MgCu2和Mg2Si相的结构稳定性、电子结构和弹性性能等.计算的结构参数与实验理论结果非常吻合.合金形成热和结合能计算结果表明,MgCu2具有较强的结构稳定性,Mg2Si具有较强的合金化能力.计算的剪切模量G、体模量B和杨氏模量E显示:MgCu2属于延性材料,Mg2Si属于脆性材料,Mg2Si的刚度较大.态密度(DOS)和Mulliken布居数的计算表明,Mg2Si离子键较强.     

3d过渡元素掺杂对TiAl合金力学性能及电子性质的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算研究Cr、Mn、Fe和Co元素掺杂TiAl体系的择优占位取向、晶体结构、延性和电子性质。结果发现:金属元素掺杂可以改善材料的立方度,从而提升材料的塑性,浓度对Co元素影响不大,轴比稳定在1以上;掺杂后体系B G增大,且随浓度的增加而增大,材料的延性有很大提升,Co元素对于增强TiAl延性效果显著。分析Co元素掺杂体系的电子性质发现,掺杂元素利于抑制Ti-Al键相互作用,从而降低金属脆性,提升延展性,掺杂浓度升高,延展性进一步提升。     

第一性原理研究压力下NiTi合金B2相的结构、力学以及热力学性质

运用第一性原理研究0~40 GPa下B2相NiTi合金的机械性能、 电子性质以及热力学性能. 计算发现, 几何优化后NiTi晶体的晶格常数与实验值和其他文献提供的数值大体一致, 表明随着压力的增加该型合金力学稳定且没有相变产生. NiTi合金的体模量B、 剪切模量G和杨氏模量E以及B/G的值随压力增大呈线性增加, 表明压力使其抗体积变形能力、 抗剪变能力及塑性增强. 研究发现, 压力也会使NiTi合金的各向异性发生改变. 对NiTi合金态密度的研究表明, 该合金同时显现出共价性与离子性, 并且压力对其电子性质无明显影响. 此外, 本文还研究了不同温度和压力下NiTi合金的热力学性能, 包括德拜温度ΘD,热容Cv和Cp的变化, 为今后实验提供理论数据.     

基于第一性原理的高压下TiAl结构、力学性能及热力学性质研究

采用第一性原理计算方法,研究了压力与温度对TiAl合金结构、力学性能与热力学性质的影响.结果显示,随着外加压力的增加,TiAl体积比降低. 计算了不同压力下TiAl的弹性常数Cij , 所有Cij均力学稳定性判据, 表明不同压力下的模拟结果均满足力学稳定性条件. 通过弹性常数, 计算了体模量与剪切模量, 发现在0 Gpa下的计算值与文献值相吻合,表明计算的准确性. 体模量与剪切模量可以用来反映材料抵抗变形能力, 随着压力的增加, 其数值增加, 表明材料抵抗变形能力得到提升. 由B/G发现, 当压力在10-20 Gpa之间时, TiAl由脆性材料转变为延性材料. 借助准谐德拜模型, 研究了当温度在0-1 000 K、 压力在0-50 Gpa下压力与温度对TiAl体模量、 德拜温度、 线膨胀系数以及热容的影响, 这有助于研究温度与压力对热力学参数的影响. 最后, 研究了不同压力下TiAl的电子结构, 随着压力的增加, 材料的态密度强度降低, Ti原子成键相互作用减弱, Al原子成键相互作用增强, 材料的延性得到提升.     

压力对PbTiO3结构和热物性质影响的第一性原理研究

PbTiO₃是一种重要的铁电功能材料, 但压力对其结构、稳定性、力学和热力学性能的影响尚不明确, 从而限制了其在电子通讯领域的应用。本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 研究了压力下四方铁电相钛酸铅(TP-PTO)、立方顺电相钛酸铅(CP-PTO)、四方前驱体相钛酸铅(PP-PTO)结构和热物性质。研究发现, 三种结构可压缩性由大到小依次为PP-PTO>TP-PTO>CP-PTO。能带结构和态密度均表明PTO在研究的压力范围内未发生相变。PTO带隙随着压力增大逐渐降低, TP-PTO在20 GPa由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体, 其余两相在压力下恒为直接带隙半导体。PTO在0~30 Gpa范围力学稳定, 且具有各向异性, 其综合力学性能随着压力的增加而增强, 各向异性则是先降低后升高。通过准谐德拜近似理论研究了温度和压力对PTO德拜温度、熵、热容的影响, 结果表明德拜温度随着温度上升而下降, 随着压力增大而上升, 反映出共价键强度依次为CP-PTO>TP-PTO> PP-PTO。熵和热容随着温度上升而上升, 随着压力的增大而下降。     

Ni(001)/Ni_3Nb(001)面界面性质的第一性原理研究(英文)

采用第一性原理赝势平面波的方法研究Ni(001)、Ni3Nb(001)表面和Ni/Ni3Nb(001)界面。计算界面终端为Ni或Ni+Nb,堆积方式为顶部位置或空心位置这4种界面模型的粘附功、稳定性及电子结构。结果表明:Ni(001)和Ni3Nb(001)表面具有8个原子层时展现出较好的体相似性;以Ni+Nb为界面终端,堆积方式为空心位置的界面模型具有最大的结合强度和临界裂纹扩展应力,且具有最好的热稳定性。该模型界面处的Ni原子和Nb原子之间是共价键,这主要是由Nb 4d和Ni 3d轨道的电子贡献的。比较Ni/Ni3Nb(001)界面和Ni/Ni3Al(001)界面的性质可知,前者的热稳定性比后者的差,且更难形成界面,但是Ni/Ni3Nb(001)界面的形成能改善镍基合金的力学性能。     

Ti合金化Mg2Ni氢化物能量和电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算Ti掺杂Mg2Ni储氢合金及其氢化物的能量和电子结构。计算结果表明:在掺杂浓度为0≤x≤0.5的情况下,Ti优先占据Mg(II)位,Ti的掺杂使Mg2Ni合金稳定性降低,且随着掺杂浓度的升高,对稳定性的削弱效果逐渐增强。六方结构的固溶体合金Mg(2-x)TixNi(0≤x≤0.5)相对于立方结构的Mg3TiNi2化合物呈现热力学不稳定性,极易分解为Mg3TiNi2和Mg2Ni组成的复合相。Ti的掺杂使低能级区域的成键电子数减少,削弱了H-Ni的成键作用,提高了Mg2Ni氢化物的解氢能力。     

Mg-Al-Si-Ca合金系金属间化合物的电子结构和力学性能的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了Mg-Al-Si-Ca合金系金属间化合物Mg2Si,Mg2Ca,Al2Ca以及Si2Ca四相的形成焓,结合能,弹性常数及态密度。形成焓和结合能的计算结果表明:Al2Ca的合金化能力最强,Si2Ca相的结构最稳定;体模量(B)、剪切模量(G)、杨氏模量(E)和泊松比(ν)的计算结果表明:四相均为脆性相,且Mg2Si相的塑性最差,结合弹性模量和态密度分析,得出Mg2Ca的塑性最好;态密度和Mulliken布居分析表明:四相中均存在离子键和共价键,共价键由强到弱顺序为Si2Ca,Al2Ca,Mg2Si,Mg2Ca;而离子键强弱顺序按Mg2Si,Al2Ca,Si2Ca,Mg2Ca依次递减;而Si2Ca最稳定的原因是其共价键比其他三相更强。