金屬碳化物力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)第一性原理研究.pdf

1、二元金屬碳化物有著豐富的晶格結(jié)構(gòu)形式和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，因而在物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)及地球科學(xué)中有著巨大的應(yīng)用價值。利用基于密度泛函理論（Density functional theory）的第一性原理計算方法，本論文研究了稀土金屬碳化物Yb-C系統(tǒng)和堿土金屬碳化物Ca-C系統(tǒng)的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)。論文主要研究了兩方面的問題：一是研究了Habburd U值對計算Yb-C系統(tǒng)（其中包括Fm-3m相的YbC、I-43d相的Yb2C3、I4/

2、mmm相的YbC2和P63/mmc相的YbC6）力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)的影響；二是研究了壓強(qiáng)對堿土金屬碳化物Ca-C系統(tǒng)（其中包括C2/m相的Ca2C3、C2/m相和Pnma相的Ca2C）力學(xué)性質(zhì)的影響。
　　4f電子的關(guān)聯(lián)效應(yīng)對于稀土金屬碳化物的電子結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)有重要的作用。本論文中，我們運(yùn)用了GGA+U的方法，計算了4f電子在不同Hubbard U值修正下，YbC、Yb2C3、YbC2和YbC6的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明，四種

3、鐿碳化物的晶格常數(shù)明顯地伴隨著U值的增大而增大，相反的，它們的彈性常數(shù)多數(shù)隨著Hubbard U值的增大而減小。采用VRH近似（Voigt-Reuss-Hill approximation），我們計算了四種鐿碳化物的體彈模量B、楊氏模量E和剪切模量G，并發(fā)現(xiàn)它們的值與Hubbard U值也表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。YbC6的B、E和G的值在四種碳化物中最大而呈現(xiàn)出質(zhì)地硬和脆的力學(xué)特性，而YbC2則呈現(xiàn)出質(zhì)地軟和易延展的力學(xué)特性。利用各向異性指

4、數(shù)和因子，我們分析了四種鐿碳化物的力學(xué)各向異性。聲子譜計算發(fā)現(xiàn)，只有YbC2和YbC6是動力學(xué)穩(wěn)定相，這與實(shí)驗的結(jié)論是一致的。
　　壓強(qiáng)能改變材料中原子之間的成鍵特性從而帶來材料物理性能的改變。本論文中，我們研究了不同壓強(qiáng)下C2/m相的Ca2C3（ C2/m-Ca2C3）、C2/m相的Ca2C（C2/m-Ca2C）和Pnma相的Ca2C（Pnma-Ca2C）的力學(xué)性質(zhì)。它們的彈性常數(shù)C11、C22和C33的數(shù)值伴隨著壓強(qiáng)呈現(xiàn)出增長

5、趨勢，且0到30GPa下的C2/m-Ca2C3、0到7.5GPa下的C/2m-Ca2C和7.5到30GPa下的Pnma-Ca2C都符合Born-Huang晶格動力學(xué)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。它們的體彈模量B、楊氏模量E和剪切模量G都隨著壓強(qiáng)的升高而升高。各向異性百分比分析表明三種鈣碳結(jié)構(gòu)的各向異性隨著壓強(qiáng)的升高而增大。此外，C2/m-Ca2C的彈性模量B和E以及各向異性百分比AB在5至7GPa壓強(qiáng)范圍內(nèi)增長趨勢幾乎消失，這預(yù)示著相變的產(chǎn)生。