形成能及其電子結(jié)構(gòu)第一性原理研究Ti2AlN和M2AlC(M=V、Cr、Nb和Ta)中缺陷.pdf

1、MAX相材料兼具陶瓷和金屬的優(yōu)良性質(zhì)，在極端環(huán)境下具有很好的抗氧化和耐高溫性能，已經(jīng)被認(rèn)為是下一代核反應(yīng)堆和高溫結(jié)構(gòu)的候選材料。本文采用第一性原理計(jì)算方法研究Ti2AlN和M2AlC(M=Ti，V，Cr，Nb and Ta)中空位的形成能及其H，He和O原子的摻雜對(duì)其電子性質(zhì)的影響。
　　Ti2AlC和Ti2AlN的電子結(jié)構(gòu)表明這類材料具有良好的導(dǎo)電性，并且導(dǎo)電性主要是由Ti元素貢獻(xiàn)的。同時(shí)這兩種材料都具有Ti-C(Ti2AlC)

2、、Ti-N(Ti2AlN)共價(jià)鍵和Ti-Al金屬鍵。在Ti2AlN中空位形成能的大小為，遷移能分別為2.835 eV(Ti),0.68 eV(Al)和3.32 eV(N)，說明和Ti2AlC一樣，Al層原子最容易形成空位并發(fā)生遷移，與空氣中的氧氣結(jié)合形成Al2O3薄膜防止這類材料在高溫下被氧化；H，He和O原子的摻雜表明O原子最容易在Ti2AlN或者Ti2AlC內(nèi)形成缺陷，這與實(shí)驗(yàn)上觀察到形成Al2O3保護(hù)層的結(jié)論一致，說明計(jì)算結(jié)果證實(shí)

3、了Ti2AlC和Ti2AlN在高溫下仍然具有良好的抗氧化和耐高溫的性能。
　　我們也計(jì)算了V2AlC，Cr2AlC，Nb2AlC和Ta2AlC中單空位的形成能。Cr2AlC中Cr空位形成能相對(duì)較小，而Al空位的形成能最大，與其它材料不同，說明較為特殊。對(duì)于V2AlC，Nb2AlC和Ta2AlC材料，M空位形成能最大，說明M空位是最不容易形成的；C空位的形成能最小，與Ti2AlC或Ti2AlN中空位形成能大小順序不同。通過比較這些材

4、料中空位形成能大小，我們得出Ti2AlC和Ti2AlN是最適合在高溫或者輻照環(huán)境下使用的材料，這歸因于它們的缺陷形成能相對(duì)較大，并且通過電子結(jié)構(gòu)分析，空位對(duì)這些材料中的成鍵和電子密度影響較小。
　　這些結(jié)論有助于我們從微觀角度認(rèn)識(shí)和分析 MAX相材料中更適合極端高溫或者輻照環(huán)境下使用的確定材料。通過形成能的計(jì)算使得我們了解了MAX相材料中的缺陷形成機(jī)制，解釋了MAX相材料耐高溫的原因。最后我們認(rèn)為Ti2AlC和Ti2AlN要比V2