过渡元素改善B4C/Al材料界面润湿性的机理研究

B₄C/Al复合材料是目前最理想的中子吸收材料,但工业上常用的液态搅拌法制备过程中存在着界面润湿性差的问题。本文结合实验及第一性原理的方法,通过研究Al(111)/AlB₂(0001)和Al(111)/TiB₂(0001)界面的结构来分析工业上添加过渡元素Ti对B₄C/Al界面润湿性的改善机制。通过计算发现,Al(111)/TiB₂(0001)界面相对Al(111)/AlB₂(0001)界面具有更高的粘附功值,说明其界面结合更强。进一步对比Ti掺杂二硼化物和AlB₂的偏态密度结构,发现Ti掺杂体具有较低的反键态,表明Ti-3d和B-2p轨道电子杂化后,在B、Ti原子间形成了较强的化学键,从而促进了Al(111)/TiB₂(0001)界面处的强结合作用,提高了Al(111)/TiB₂(0001)界面粘附功,故而改善了B₄C/Al界面的润湿性。根据同样的理论依据,V掺杂体也具有较低的反键态,V和B之间的强结合效果或许能够改善B₄C/Al界面的润湿性,成为又一理想的溶体改性掺杂元素。     

TiC/Mg复合材料界面稳定性的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对4种TiC(111)/Mg(0001)界面的态密度、差分电荷及键合方式等进行计算分析,采用界面粘附功评价了界面的润湿性和结合强度。结果表明:经几何优化后,C终端心位界面结构、C终端顶位界面结构与Ti终端心位界面结构几乎没有发生改变,而Ti终端顶位界面结构转换成了Ti终端心位界面结构。新形成的Ti终端心位界面结构与建立的Ti终端心位界面结构有着相近的粘附功与界面间距。其中,C终端心位界面的界面粘附能最大为7.221 J/m~2,界面间距最小为0.139 nm,润湿性较好,界面最为稳定。在C终端心位界面结构与C终端顶位界面结构中,界面两侧键合方式主要为共价键与离子键,而在Ti终端心位界面结构中,界面处键合方式主要为金属键。     

第一性原理研究合金元素对3C-SiC/Mg界面的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究掺杂单个Al、Zn、Cu、Ni、Li、Zr原子对3C-SiC/Mg体系界面结合的影响,选取代表性的Zn原子和Zr原子进行Mulliken电荷、重叠布居数和态密度计算分析。结果表明,3C-SiC/Mg界面模型最稳定的堆垛结构是将5层的Mg（0001）堆垛在10层的 3C-SiC（111）面上,C封端的中心型模型在6种3C-SiC/Mg模型结构中分离功最大,界面间距最小,界面的润湿性最好;掺杂Zn原子后,3C-SiC/Mg-Zn体系的分离功减小,掺杂的Zn原子与Mg原子成反键,态密度中赝能隙变小使得3C-SiC/Mg-Zn体系的共价键性减弱,不利于3C-SiC/Mg-Zn界面结合; 掺杂Al、Cu、Ni、Li、Zr原子后,体系的分离功增大,Zr原子对界面润湿性的改善效果最好。掺杂Zr原子后,界面层Mg原子与Si原子的反键消失,与C原子在界面处形成Zr-C强共价键,态密度离域性增强,成键能力增强,导致3C-SiC/Mg-Zr体系的分离功增大最多。     

TiN(111)/DLC界面粘附功和电子结构的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理,采用平面波赝势方法,研究了Ti N(111)/DLC界面的粘附功和电子结构,阐明了Ti N过渡层改善金属基体和DLC薄膜结合性能的内在机理。根据Ti N(111)面不同的表面终端(Ti终端和N终端)和界面原子配位类型(顶位、中心位和孔穴位),构建和计算了6种可能的Ti N(111)/DLC界面理论构型。结果表明:当Ti N(111)以Ti原子为终端时,中心位堆垛界面(Ti-center)的粘附功最大;当Ti N以N原子为终端时,顶位堆垛界面(N-top)为最稳定的界面模型,弛豫后的粘附功为8.281J/m2。差分电荷密度、分态密度、Mulliken布居数的计算结果均表明:Ti-center界面Ti原子和C原子形成的Ti-C键包含共价性和离子性;N-top界面处C原子和N原子形成C-N共价键。相比之下,N-top模型更有可能在Ti N/DLC界面中出现。     

Fe/TiN界面稳定性的第一性原理计算

采用基于第一性原理法,对低指数面的Fe与Ti N复合材料界面的结合能、态密度以及电荷密度等进行计算,采用界面粘附功评价了该界面的润湿性和结合强度。结果表明:当以Ti N(100)中的N原子直接与Fe(100)面的Fe原子直接结合时,界面结合能最大,润湿性较好,形成最稳定的结合界面。当以Ti N(111)中的Ti原子直接与Fe(100)面的Fe原子直接结合时,界面结合能最小,是整个界面构型的薄弱环节。     

原位反应浸渗法制备(B4C+Ti)混杂增强Mg及AZ91D复合材料及其阻尼性能

针对B_4C/Mg体系润湿性较差导致复合效率低下的问题,加入高熔点、不互熔金属Ti颗粒来改善该体系的润湿性,并成功利用原位反应浸渗法实现(B_4C+Ti)/Mg和(B_4C+Ti)/AZ91D复合材料的高效、低成本制备。对制备的(B_4C+Ti)/Mg和(B_4C+Ti)/AZ91D复合材料的微观组织、生成物相以及室温和高温阻尼性能进行了分析与表征。结果表明,制备温度对复合材料的微观组织和生成物相有较大的影响;随着制备温度的升高,原始颗粒之间的原位反应程度逐渐趋于完全,(B_4C+Ti)/AZ91D复合材料的微观组织逐渐由颗粒增强结构转变为网络互穿结构。(B_4C+Ti)/Mg和(B_4C+Ti)/AZ91D复合材料的室温和高温阻尼性能分别随着应变振幅和温度的升高而增强,主要作用机制为位错阻尼和界面阻尼机制。     

Al-Ti-B合金中AlB_2、TiB_2和TiAl_3的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究0 K条件下Al-Ti-B体系中AlB_2、TiB_2和Ti Al_3的平衡晶格常数、形成热、结合能及电子特性,并结合准简谐德拜模型对3种物相在高温条件下的热力学基本性质进行了分析。计算结果表明:AlB_2、TiB_2和Ti Al_3的形成热与结合能均为负值,表明3种相均具有结构稳定性,且稳定性由大到小依次为TiB_2、Ti Al_3、AlB_2;3种物相的离子性与金属性由大到小依次为Ti Al_3、AlB_2、TiB_2,Ti Al_3与AlB_2显示离子键特性,而TiB_2键合特性以共价键为主;3种物相的热稳定性由大到小依次为TiB_2、AlB_2、Ti Al_3。计算所得TiB_2、AlB_2和Ti Al_3的热力学性质可以用于分析氟盐法制备Al-Ti-B时Al熔体与氟盐之间反应发生情况以及中间合金最终的物相组成。     

(Ti+B4C)/Fe901比对等离子熔覆铁基涂层结构及硬度的影响

目的获得高质量等离子熔覆铁基涂层的优化成分。方法以Fe901、Ti、B_4C粉为原料,采用反应等离子熔覆法在Q235钢基体上原位合成铁基涂层,研究了反应物(Ti+B_4C)/Fe901质量比(15/85、25/75和35/65)对涂层中强化相的形成、界面结合情况、显微组织结构以及硬度的影响。结果铁基涂层均与基体呈冶金结合。(Ti+B_4C)/Fe901质量比较大时,会使界面结合处质量下降。(Ti+B_4C)/Fe901比为15/85时,涂层主要由(Fe,Cr)固溶体、TiB2、TiC、Ti8C5、Fe3C和Fe B相组成。增大(Ti+B_4C)/Fe901比,不会导致新相形成,但可以抑制Fe B析出,涂层中的TiC通过多步反应而形成。涂层显微硬度随(Ti+B_4C)/Fe901比增大,整体呈上升趋势。(Ti+B_4C)/Fe901比不大于25/75时,涂层显微组织较为均匀,显微硬度沿层深方向变化较平稳;进一步增大(Ti+B_4C)/Fe901比,涂层显微组织和硬度均呈现梯度分布,涂层上部硬度与下部硬度差值可达630HV0.1。结论通过调控主要增强相的反应物成分含量,可使等离子熔覆铁基涂层的显微组织和硬度呈现出梯度分布特征或较好的均匀性,从而满足不同的实际应用需求。     

Al、Cr和Nb在Mo(111)/MoSi2(110)界面的元素效应

运用第一性原理平面波赝势方法计算了Mo(111)/MoSi2(110)的界面结构,并通过元素界面偏析能的计算确定了Al、Cr和Nb在Mo(111)/Mo Si2(110)的偏析位置,结合脱粘功和差分电荷密度揭示了Al、Cr和Nb对Mo/Mo Si2界面结合强度的影响。结果表明:Si顶位型配位方式的界面能最小,最为稳定,在Mo(111)/MoSi2(110)界面结构中倾向于以Si顶位型配位方式结合,其界面分离面在近界面Mo Si2(110)一侧的亚界面层。Nb对界面结合不利,Cr可适当提高界面结合强度,而Al对界面强度的影响取决于其界面覆盖度。究其原因是由于Nb在界面偏析形成的Nb—Si键相比于Mo—Si键有明显减弱,Cr形成的Cr—Si键略有增强,而Al的界面覆盖度对形成的Mo—Al键强弱影响较大。     

Ti_3Al基合金(0001)_(α_2)//(110)_β界面价电子结构分析

基于固体与分子经验电子理论,以改进的TFD理论提出的电子密度连续的量子力学条件为判据,计算了Ti3Al基合金中(0001)α//(110)β2界面的价电子结构。对比分析了单相Ti3Al基合金2-Ti3Al2-(Ti)Al(0001)//(0001)ααxMy界面与多相Ti3Al基合金(0001)α2-Ti3Al//(110)β-Ti0.5xAl0.5M0.5y,(0001)α2-(TixMy)Al//(110)β-Ti0.5xAl0.5M0.5y界面电子结构。从电子结构层次上初步解释了延性β相改善合金薄弱的相界面电子结构与键结合,增加界面稳定性与连续性,提高合金强韧性的微观本质。     

机械合金化结合热压烧结制备(TiC+TiB2)/Cu复合材料

通过对体系进行机械合金化,随后将其与Cu粉进行混合和热压烧结制备了(TiC+TiB_2)/Cu复合材料。研究表明,机械合金化促使B_4C粉末分解并向Ti粉末中的固溶形成Ti-C-B的三元混合体系,有效降低了体系的反应温度,并在随后的热压烧结中生成(TiC+TiB_2),其原因是在Ti-C-B体系中生成TiB_2相比TiB具有更低的吉布斯自由能变。当增强相含量较低时,强化相颗粒细小弥散地分布在铜基体中,且与基体界面结合良好,可显著提高复合材料的硬度;但随着含量的增加,强化相的团聚现象加剧,与基体的界面结合方式也转变为简单的机械包裹,其强化效应并不能得以体现。此外,由于机械合金化提高了体系反应的活性,有效地避免了Ti向铜基体中的固溶,当增强相的设计含量为15vol%时所制备的(TiC+TiB_2)/Cu复合材料与直接混合Cu-Ti-B_4C粉末制备的复合材料相比导电率大幅提升。     

Ti3Al基合金(0001)α2∥(110)β界面价电子结构分析

基于固体与分子经验电子理论,以改进的TFD理论提出的电子密度连续的量子力学条件为判据,计算了Ti3Al基合金中(0001)a∥(110)β界面的价电子结构.对比分析了单相Ti3Al基合金(0001)a2-Ti3Al∥(0001)a2-(TiMy)Al界面与多相Ti3Al基合金(0001)a2-Ti3Al∥(110)β-Ti0.5xAl0.5M0.5y,(0001)a2-(TixMy)Al∥(110)β-Ti0.5xAl0.5M0.5y界面电子结构.从电子结构层次上初步解释了延性β相改善合金薄弱的相界面电子结构与键结合,增加界面稳定性与连续性,提高合金强韧性的微观本质.     

MgO中间层增强Mg/石墨烯界面结合性能的第一性原理预测和分析

石墨烯增强镁基复合材料面临镁/石墨烯界面结合弱的难题.本文作者采用第一性原理计算评估通过引入原位生成的MgO中间层来改善Mg/石墨烯结合的可行性.计算的界面结合强度由高到低的顺序为Mg(0001)/MgO(111)>MgO(111)/石墨烯>Mg(0001)/石墨烯.Mg/MgO/石墨烯界面结合的增强可以归因于在Mg/...     

Ir/SiC界面结合力、稳定性和电子结构的第一性原理研究（英文）

基于密度泛函理论(DFT)第一性原理研究了Ir(111)/SiC(111)界面。在考虑不同堆垛位置和表面封端的基础上,共研究了 6种不同的界面构型。结果表明:具有9层原子层的Ir(111)表面构型表现体相材料的特征,而12层原子层的SiC(111)表面构型能体现体相SiC的性能。粘附功和界面能结果表明,C封端顶位堆垛(C-TS)和Si封端中心位堆垛(Si-CS)界面构型具有最大的粘附功,分别为6.35和6.23 J/m~2,是最稳定的构型;弛豫后的界面能分别为0.07和0.10 J/m~2。电子结构分析表明:C-TS界面处具有离子特性,而Si-CS界面处具有共价键特性。C-TS和Si-CS界面的结合强度和稳定性归因于Ir-d与C-p,Si-p轨道之间的杂化。与C-TS界面相比,Si-CS界面第2层原子与界面Ir原子的相互作用更大。     

W含量对自蔓延离心熔铸TiB_2-TiC-(Ti,W)C陶瓷组织和性能的影响

通过在(Ti+B_4C)体系中引入(WO_3+Al)燃烧体系,进而调整两体系的比例,采用自蔓延离心熔铸工艺成功制备出W系列含量的TiB_2-TiC-(Ti,W)C复合陶瓷。XRD、FESEM和XRD结果显示:陶瓷基体主要由Ti B2、TiC和(Ti,W)C固溶体组成,且随着W含量的增加,(Ti,W)C固溶体体积分数增加,而TiB_2和TiC体积分数减少且晶粒逐渐细化,同时,组织分布趋于均匀。力学性能测试表明,随着W含量的增加,TiB_2-TiC-(Ti,W)C复合陶瓷的相对密度和维氏硬度呈上升趋势,而陶瓷的抗弯曲强度和断裂韧性先增大后减小,在W含量为65%时达到最大值,这是TiB_2作为唯一的增强相体积分数逐渐减少的结果。     

TiC(100)/α-Fe(100)界面稳定性及电子特性的第一性原理研究

采用第一性原理方法,研究了 TiC(100)/Fe(100)界面稳定性和电子特性.建立了 4种不同原子堆垛方式的界面模型,采用界面粘附功、界面能和断裂功评价界面稳定性;采用差分电荷密度、Mulliken布居和态密度分析了电子特性.结果表明:Fe原子位于C原子上方的堆垛模型界面粘附功最大,界面能最小,界面结构最稳定.其界...     

反应熔铸(Ti,W,Cr)B_2-(Ti,W,Cr)C复相陶瓷刀具材料

采用超重力场反应熔铸技术,以(Ti+B_4C)为主体系,辅以(CrO_3+WO_3+NiO+Al)复杂铝热体系,制备出(Ti,W,Cr)B_2-(Ti,W,Cr)C陶瓷刀具材料。XRD、FESEM与EDS分析表明:(Ti,W,Cr)B_2-(Ti,W,Cr)C陶瓷基体主要由(Ti,W,Cr)B_2块晶、不规则(Ti,W,Cr)C、AlNi及少量Al_2O_3构成。燃烧体系反应完成后,Al_2O_3熔滴被分离,得到Ti-W-Cr-Ni-C-B混合熔体。在混合熔体的冷却凝固过程中,TiC优先形核析出,[W]、[Cr]原子取代部分[Ti],扩散至TiC相中,先后生成(Ti,W)C、(Ti,W,Cr)C;在TiB_2长大过程,[W]、[Cr]原子取代部分[Ti],生成(Ti,W,Cr)B_2;在凝固后期,[Ni]与少量未反应的[Al]反应生成AlNi,分布于基体间,提高了陶瓷的致密性。     

钛合金表面Ti/TiB_2仿生多层膜的断裂韧性

根据贝壳珍珠层的结构特点,以金属Ti层为软质层,对TiB_2陶瓷薄膜进行仿生增韧处理,并通过压痕法研究了Ti/Ti B_2仿生多层膜的断裂韧性。结果表明:随着调制比Λ(t_(TiB_2):t_(Ti))的增大,多层膜的断裂韧性先增大而后减小,当Λ为5时,多层膜的断裂韧度达到最大值(KIC=2.68 MPa·m~(1/2))。对于相同厚度的Ti B_2单层膜而言,断裂韧度值仅为0.76MPa·m~(1/2),也就是说,Ti/Ti B_2仿生多层膜可有效提高陶瓷层的断裂韧性。沉积在Ti6Al4V基体上的多层膜在断裂过程中进行能量释放以径向裂纹为主,以环形裂纹为辅。由于多层膜中Ti子层的周期性引入,有效缓解了Ti B_2薄膜的内应力;当裂纹扩展至Ti子层时,Ti层可对裂纹尖端起到很好的钝化作用,使裂纹扩展方向发生偏转。此外,多层膜的界面增多,也相应增大了裂纹扩展的阻力,提高了多层膜的断裂韧性。     

Mo元素对TiC(100)/α-Fe(100)界面稳定性及电子特性影响的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了Mo元素对TiC(100)/Fe(100)界面稳定性和电子特性的影响.建立了Mo元素处于5种不同位置的掺杂TiC(100)/Fe(100)界面模型,采用界面粘附功和界面掺杂能评价了Mo元素对界面稳定性的影响,采用差分电荷密度、Mulliken布居和态密度分析了其对电子特性的影...     

TiB2—B4C陶瓷复合材料的微观组织和机械性能

研究了TiB_2/B_4C复合材料的显微组织和力学性能,发现含有20-30wt-％B_4C的TiB_2材料,强度和硬度均有显著地提高,而原有较高的K_(IC)值保持不变。TiB_2-30wt-％B_4C抗弯强度达到782MPa,维氏硬度达到26.2GPa,断裂韧性为7.2MPam~(1/2);而单相TiB_2材料的强度、硬度和断裂韧性分别为450MPa,21GPa和7.0MPam~(1/2)。本文还对强化及裂纹扩展机理进行了探讨。