Mg17 Al12、Al2Ca、Al2Nd、Al2Er金属间化合物稳定性与电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的Castep程序软件包,优化了Mg17Al12、Al2Nd、Al2Er及Al2Ca相晶胞结构,计算了化合物的形成热、结合能和态密度等,分析了化合物结构稳定性与其电子结构的内在联系。结果表明:四种化合物的形成热和结合能均为负值,且化合物的合金化能力和结构稳定性强弱顺序依次为Al2Er、Al2Nd、Al2Ca、Mg17Al12。态密度结果表明: Al2Er和Al2Nd具有较强结构稳定性的主要原因是（1）在费米面低能级区Al(3p)轨道分别与Nd(4f)、(5d)和 Er(4f)、(5d)轨道价电子发生强烈杂化作用;（2）Al2Nd和Al2Er成键电子数较多;（3）这两种化合物的电子参与成键能力较大。电荷密度结果表明：Mg17Al12、Al2Ca、Al2Nd、Al2Er中均存在金属键、离子键、共价键,四种化合物中Al2Er、Al2Nd共价键较强,Al2Ca离子键最强,Mg17Al12中以较强的金属键为主。     

Al_2Sr和Mg2sr相结构稳定性与弹性性能的第一原理计算

采用基于密度泛函理论的CASTEP和DMOL程序软件包,计算了Mg_(17)Al_(12),Al_2Sr和Mg_2Sr柏的结构稳定性、弹性性能和电子结构.合金形成热和结合能的计算结果显示,Al_2Sr具有最强的合金化形成能力和结构稳定性.Gibbs自由能的计算结果表明,随着温度的升高,Mg_(17)Al_(12),Al_2Sr和Mg_2Sr的结构稳定性发生了变化,在实际工作温度高于423 K以上时,Al_2Sr的结构稳定性最好,Sr合金化Mg-Al基合金形成Al_2Sr有利于提高镁合金的高温抗蠕变性能.体模量(B)、弹性各向异性系数(A)、Young's模量(E)、剪切模量(G)和Poisson比(v)的计算结果表明,Mg2Sr为延性相,而Mg_(17)Al_(12)和Al_2Sr为脆性相,Mg_2Sr的塑性最好.态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明,Al_2Sr结构最稳定的原因主要源于体系存在强烈的共价键作用,而Mg_(17)Al_(12)结构隐定性优于Mg_2Sr是体系中离子键与共价键共同作用的结果.     

Mg-Al-Ca-Sn合金中二元相金属间化合物结构稳定性、电子结构、弹性性质和热力学性质的第一性原理计算（英文）

通过第一性原理计算方法研究Mg-Al-Ca-Sn合金中主要强化相Mg_(17)Al_(12)、Al_2Ca、Mg_2Sn和Mg_2Ca的结构稳定性、电子结构、弹性常数和热力学性质。计算所得晶格常数与实验值及文献值吻合。合金形成热和结合能计算结果表明,Al_2Ca具有最强的合金形成能力和结构稳定性。通过对这些化合物的态密度、Mulliken电子占据数、金属性和差分电荷密度计算分析其结构稳定性机制。通过计算Mg_(17)Al_(12)、Al_2Ca、Mg_2Sn和Mg_2Ca的弹性常数,推导出各相的体模量、剪切模量、弹性模量和泊松比。热力学性质计算结果表明,Al_2Ca和Mg_2Sn的Gibbs自由能低于Mg_(17)Al_(12),即Al_2Ca和Mg_2Sn的晶体结构稳定性优于Mg_(17)Al_(12)相。因此,通过添加Ca和Sn元素可以提高Mg-Al系合金的热力学稳定性。     

Mg-Er金属间化合物稳定性与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方法优化Mg-Er合金体系中MgEr、Mg2Er和Mg24Er5这3种金属间化合物的结构模型,通过形成热、结合能和电子结构的计算分析了化合物的稳定性与其晶体结构的内在联系。结果表明:3种Mg-Er金属间化合物的形成热和结合能均为负值,化合物的形成能力和稳定性均随着化合物中Er含量的降低而降低。在费米能级低能级区域,Mg的3s、2p轨道与Er的4f、5d轨道发生重叠,产生了轨道杂化;在费米能级高能级区域,Mg的2p轨道与Er的5d轨道也存在少量的杂化。随着化合物中Er含量的降低,化合物中平均每个原子在费米能级低能级处的成键电子数减少,化合物的稳定性降低。在Mg、Er原子周围均有大量的电荷存在,呈典型的金属键特征,Mg、Er之间的电子云只有部分重叠,交界处电荷的畸变不大。Mg-Er金属间化合物的价键结合具有金属键和共价键两重性,其中金属键占主导地位。Mg、Er原子的电荷转移量随化合物中Er含量降低而减少,化合物的共价键性降低,稳定性下降。     

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。     

Ti、Nb、Zr掺杂γ-Fe-(B)中的电子结构及键合作用的第一性原理研究

采用第一性原理的方法计算了 Ti、Nb、Zr固溶于γ-Fe-(B)后形成晶胞的体积变化率、晶胞总能、结合能、态密度、差分电荷密度、迁移激活能及力学性能,并由此研究了 Ti、Nb、Zr与γ-Fe-(B)的微观作用机理.结果表明,3种原子均优先取代γ-Fe-(B)晶胞中顶角位置的Fe原子.Ti掺杂后,γ-Fe-(B)的结合能降低,B原子的迁移激活能降低,B原子可能更容易偏聚.Nb、Zr掺杂后,γ-Fe-(B)的结合能升高,增加γ-Fe-(B)的稳定性.Zr对于提高γ-Fe-(B)稳定性的作用要大于Nb固溶.γ-Fe-(B)晶胞中,主要以离子键为主,并伴随少量的共价键;γ-Fe-(B)-Ti晶胞中主要形成的是较弱的离子键;而γ-Fe-(B)-Nb、γ-Fe-(B)-Zr晶胞中主要形成的是较强的共价键.M、Fe、B均提供成键电子,参与成键的是Md、Fe3d和B2p轨道.γ-Fe-(B)-Ti晶胞中Ti3d电子相对比较局域,参与成键的作用较弱,γ-Fe-(B)-Nb及γ-Fe-(B)-Zr晶胞中Nb4d电子及Zr4d电子离域性较强,成键能力较强.Ti、Nb、Zr均能提高γ-Fe-(B)的力学性能,主要表现为硬度及抗压强度有所提高,但塑性及韧性变化不大.Zr对于提升体系硬度的作用效果是最明显的.论文依据合金元素对γ-Fe-(B)电子结构的影响,探讨了 Ti、Nb、Zr及B原子对于提高材料淬透性的影响机制.     

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。     

金属间化合物Mg_2Pb的电子结构和弹性性质

运用第一性原理方法计算了金属间化合物Mg_2Pb的电子结构以及弹性性质,并用Voigt-Reuss-Hill方法计算得到Mg_2Pb的弹性模量和切变模量.结果表明:Mg和Pb对态密度的贡献主要是Mg的2p轨道和Pb的5d轨道,其次为Mg的3s轨道和Pb的6p轨道,Pb的6s轨道贡献最小;在Mg原子周围有大量的电荷存在,呈典型的金属键特征,Mg、Pb之间存在共用的电荷,有较强的离域性,以共价键形式存在,但交界电荷的畸变不大,故共价键所占比例较少,金属键所占比例较大,Mg_2Pb化合物呈半金属性;Mg_2Pb的弹性模量和切变模量分别为68.6和27.9 GPa,Pugh经验判据和泊松比均表明Mg_2Pb具有脆性.     

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。     

AZ31B/6061异种合金搅拌摩擦焊接头界面组成相与第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的Castep和Dmol程序软件包,计算了采用Sn作为中间夹层的AZ31B/6061异种合金搅拌摩擦焊接头界面各种金属间化合物的结构稳定性与弹性性能,利用微机控制万能试验机、XRD衍射仪检测接头性能和相组成。计算结果表明:Mg_2Sn具有最强的合金化形成能力,AlSn具有最好的结构稳定性;在298～773 K温度范围内,Mg_2Sn的Gibbs自由能始终最小,生成反应更容易进行,Mg_2Al_3、Mg_(17)Al_(12)次之,AlSn最差;Mg_(17)Al_(12)和Mg_2Sn均为脆性相, Mg_2Al_3为塑性相。实验结果表明:加入Sn后,接头拉剪强度最大达51.2 MPa,焊缝处存在的金属间化合物有Mg_(17)Al_(12)、Mg_2Al_3、Mg_2Sn。     

Mg-Al-Zn-Nd合金微观组织演变及稀土相强化行为

采用XRD、SEM和TEM等方法表征了Mg-Al-Zn-Nd合金微观组织演变,研究了合金中稀土相的强化行为。结果表明:添加Nd元素后的实验合金主要由α-Mg、Mg_(17)Al_(12)、Al_2Nd和Al_(11)Nd_3组成。随着Nd含量的增加,Mg_(17)Al_(12)相尺寸变小,数量减少,弥散分布的Al_2Nd和Al_(11)Nd_3相增多,Al_(11)Nd_3相由针状向棒状转变,且Al_(11)Nd_3相与基体存在结合能力较强的半共格界面。稀土相强化行为表现为:在拉伸过程中,稀土相周围应力集中的增大可能诱发其周围基体形成孪晶结构,可以协调部分外界应变能的增加;相比Mg_(17)Al_(12)而言,具有较好结合能力的硬质稀土相不易萌生裂纹,且呈弥散分布的稀土相对位错运动的钉扎较强;稀土相的增加导致基体与α+β共晶组织(M/E)界面、岛状Mg_(17)Al_(12)相微裂纹源的数量减少。最后,计算并简要讨论了Mg_(17)Al_(12)、Al_2Nd和Al_(11)Nd_3相的力学特性,表明这3种相均为脆性相。相对Mg_(17)Al_(12)相而言,Al_(11)Nd_3和Al_2Nd相的硬度较大。     

Cr、Fe置换优化α-Al(MnCrFe)Si相稳定性、电子结构及力学性能

利用第一性原理计算了α-AlSiMnCrFe化合物稳定性、电子特性、力学性能及其弹性各向异性。AlSiMnCrFe化合物的形成焓以及结合能均不大于0,表明这些化合物都具有较好的热力学稳定性。Al₁₀₂Si₁₂Mn₁₆Cr₂Fe₆形成焓最低,说明此化合物比其他AlSiMnCrFe化合物稳定性好。AlSiMnCrFe化合物结合键主要种类有金属键、共价键以及离子键。Al₁₀₂Si₁₂Mn₁₆Cr₈体模量最高,达104.3 GPa;Al₁₀₂Si₁₂Mn₁₆Cr₈弹性模量和剪切模量最大,分别为156.9 GPa和63.6 GPa。根据弹性模量3D曲面图以及投影图可知,AlSiMnCrFe化合物具有弹性各向异性。     

Mg-Al-Y合金中Al-Y金属间化合物的相稳定性、弹性和热力学性质的第一原理计算

通过基于密度泛函理论的第一原理计算方法,对Mg-Al-Y合金中的主要强化相,即Al_2Y和Al_3Y的相稳定性、电子结构、弹性性质以及热力学性质进行计算。相生成热的计算结果表明:Al_2Y和Al_3Y均可稳定存在,Al_2Y的结构稳定性更强,因此,在合金的凝固过程中,Al_2Y优先析出。Al_2Y和Al_3Y的电子态密度(DOS)和差分电荷密度计算的结果表明:Al_2Y和Al_3Y两相可以稳定存在的内在本质在于Al原子与Y原子的价电子轨道发生强烈的相互作用,形成了spd杂化。两相内的原子成键均为共价键、离子键和金属键。体模量B、剪切模量G、弹性模量E、泊松比v和各向异性因子A等力学性质参数的计算结果表明:这两种相为强硬的脆性相并都为各向同性,因此,具有相似的强化效果。两相熔点较高表明其具有很好的热稳定性,能够提高合金的高温性能。声子谱和声子态密度计算以及德拜温度的计算结果进一步验证了两相具有结构稳定性较高。两相的热力学性质符合一般热力学规律,其中自由能的计算结果表明:两相的稳定性顺序没有发生变化。随着温度的升高,Al_2Y的结构稳定性仍强于Al_3Y的。     

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。     

Mg17Al12相Ca合金化结构稳定性的第一原理研究

采用第一原理赝势平面波方法,计算了Mg17Al12相Ca合金化前后的能态与电子结构.计算结果显示:当Ca分别置换Mg17Al12相中Mg(Ⅰ)、Mg(Ⅱ)和Mg(Ⅲ)原子时,(Mg17-xCax)Al12相(x=0,1,4,12)的负生成热逐渐升高、结合能逐渐增大,表明Ca置换Mg17Al12相中Mg(Ⅲ)原子时其Ca合金化能力最强,合金化后形成的(Mg5Ca12)Al12相结构稳定性最高.电子态密度(DOS)分析结果表明:Ca合金化后Mg17Al12相结构稳定性升高的主要原因是由于合金化后来自Al(p)和Ca(s)的价电子使其在低能区的成键电子数增多.     

Ca、Sr和Ba掺杂Mg_2Si弹性性能和电子结构的第一性原理研究

采用第一性原理平面波赝势方法研究了合金元素X(X=Ca、Sr、Ba)掺杂Mg2Si的占位情况:(1)取代Mg原子位置;(2)取代Si原子位置;(3)间隙固溶到Mg2Si晶胞中。分析合金系Mg7Si4X,Mg8Si3X,Mg8Si4X的形成热和结合能可知,Mg7Si4X的形成热和结合能均为负值,且最小。表明Mg7Si4X更容易形成稳定化合物,具有较强的合金化能力,且Ca,Sr,Ba掺杂Mg2Si时有优先占据Mg原子的倾向。研究Mg7Si4X的弹性模量和电子结构发现:Mg7Si4Ca、Mg7Si4Sr为脆性相;Mg7Si4Ba为延性相,塑性最好;掺杂Ca,Sr,Ba使Mg2Si逐渐由脆性向韧性转变。Ca,Sr,Ba的掺入均使Mg2Si的电子态密度发生偏移,费米能级处的电荷密度增加,导电性增强,共价键作用减弱,合金系结构稳定性减弱。     

Pt(100)/ZrO2(100)界面性质的第一性原理

采用密度泛函理论的平面波赝势法,分别研究在ZrO2(100)面上以氧为键桥和以锆为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)界面模型的结合能、电子结构以及等电荷差分密度分布图。结果发现:在以氧为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeO界面结合能为1.978J/m2,而以锆为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeZr界面结合能为10.035J/m2,前者的界面结合能低于后者的界面结合能,即以锆为键桥的ZrO2(100)更容易与Pt(100)面结合。通过电子结构和等电荷差分密度分布图分析可知,以氧为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeO时,主要是锆氧之间存在电子转移,而以锆为键桥的Pt(100)/ZrO2(100)-bridgeZr时,不仅锆氧之间、而且铂锆之间也存在电子转移,铂锆之间主要是锆的4d电子轨道和铂的5d以及部分6s、5p电子轨道上的电子发生了转移并且成键结合,这说明在铂基材料中以锆为键桥的界面结合能有效提高铂基材料的强度。     

热处理对Al2 O3f/Mg-6Al-0.5Nd-xGd复合材料组织及硬度的影响

采用无压浸渗技术制备Al_2O_(3f)/Mg-6Al-0.5Nd-xGd复合材料,利用光学显微镜、维氏硬度计与扫描电镜研究热处理工艺对Al_2O_(3f)/Mg-6Al-0.5Nd-xGd微观组织及硬度的影响。结果表明:T4热处理后α-Mg基体相晶粒变得细小;块状Mg_2Si相变得细小弥散;绝大部分的β-Mg_(17)Al_(12)相溶入α-Mg基体中;稀土化合物Al_2Nd、Al_2Gd相熔点较高,在T4态温度不能固溶。T6热处理后,β-Mg_(17)Al_(12)相再次析出,呈弥散颗粒状或层片状分布,使铸态时粗大的网状结构变细小,且稀土元素Gd具有推迟和抑制β-Mg_(17)Al_(12)相析出的作用。在Gd含量为1.0%时,经T6处理的复合材料硬度达到峰值210 HV5,比铸态提高了40%。     

Mg-6Zn-1Ca合金激光熔覆Al-Si层的组织与性能（英文）

采用激光熔覆Al-Si粉体以提高Mg-6Zn-1Ca合金的表面性能,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)技术研究熔覆层的相组成、组织结构和化学成分。结果表明,熔覆层主要由α-Mg、Mg_2Si枝晶、Mg_(17)Al_(12)和Al_3Mg_2相组成。由于生成了Mg_2Si、Mg_(17)Al_(12)和Al_3Mg_2金属间化合物以及快速熔凝的晶粒细化作用,熔覆层的显微硬度(HV_(0.025) 310)比基体硬度(HV_(0.025) 54)高近5倍。同时,在3.5%NaCl(质量分数)水溶液中的腐蚀性能测试显示,腐蚀电位从基体的-1574.6 mV上升到了熔覆后的-128.7 mV,而腐蚀电流密度则从基体的170.1μA/cm~2降至熔覆后的6.7μA/cm~2。这些研究结果显示,激光熔覆Al-Si粉体可以显著提高Mg-6Zn-1Ca合金表层的硬度和耐蚀性。     

Mo_mS_n(m+n≤8)团簇的结构、稳定性和电子性质

采用密度泛函理论(DFT)中的广义梯度近似(GGA)对MomSn(m+n≤8)团簇进行结构优化,通过计算其二阶能量差分Δ2Em、分裂能D(m)、平均结合能Eb、最高占据轨道(HOMO)、最低空轨道(LUMO)和HOMO-LUMO能隙HLG,以表征与分析团簇总原子数对MomSn团簇基态结构稳定性的影响。计算结果表明:随着总原子数(m+n)的增大,MomSn团簇的基态结构由较为松散的平面结构向紧凑型的空间结构转变,其基态几何构型与Sn团簇以及Mom团簇的基态几何构型密切相关;MomSn团簇结构稳定性随团簇原子总数(m+n)的增加而增大,MomSn团簇的平均结合能比Sn团簇和Mom团簇的平均结合能要大;Mo Sn团簇、Mo2Sn团簇、Mo3Sn团簇的幻数(n)分别为5、4、3;在MomSn团簇中,电荷均是由Mo原子向S原子转移的,并以共价键和离子键共存。