鋯合金電子結構與物性關聯(lián)的第一性原理研究.pdf

1、結構性質關聯(lián)在材料科學中的地位舉足輕重。只有充分掌握了材料結構和性質之間的關聯(lián)信息，以目標性質為導向快速高效地設計開發(fā)新材料才有可能，否則便只能停留在高成本高周期的炒菜試錯階段。材料的宏觀性能與其微觀電子結構密切相關。對于鋯合金，如何在電子尺度認識理解其一系列不同于其他合金體系的本征特性，建立其微觀電子結構和宏觀特性之間的關系，對于自下而上地設計與開發(fā)新型鋯合金具有重要的理論與現(xiàn)實意義。結合文獻調研和自己的研究工作，我們認識到在純鋯和許

2、多鋯合金中存在著一種特殊的贗原子現(xiàn)象，這種特殊的電子結構極有可能是鋯基材料各種宏觀特性的內在物理根源。本文基于密度泛函理論和Bader的電子密度拓撲分析方法，探討了贗原子這一特殊電子結構在鋯及其金屬間化合物中的存在性及存在機制，并初步建立了其與鋯合金一些宏觀物性之間的關系。
　　首先探討對比了純鋯三個常見相的電子密度拓撲性質，發(fā)現(xiàn)隨著鋯四面體結構畸變程度的增大，Zr原子間的相互作用由α相中的贗原子變?yōu)棣叵嘀械摹跋憬舵I”再變?yōu)棣孪嘀?/p>

3、常見的直線型鍵。在不同的密排六方金屬中，隨著元素電負性的降低，體系的贗原子特性越來越強。因此，贗原子的出現(xiàn)是由晶體結構和組成元素的電負性共同決定的。鋯合金中特殊的贗原子結構可能會導致其具有特別的力學行為，如彈性各向異性、位錯芯結構、位錯滑移等。
　　對ω-Zr和有序ω相Zr2Al的對比研究表明，Al對Zr的有序取代未能產生贗原子，二者中均具有Zr-Zr香蕉鍵。但是，這兩相的彈性性質差異很大，Zr2Al具有更高的彈性模量和硬度以及更

4、低的彈性各向異性。電子密度拓撲分析表明，Al對Zr的有序取代顯著增大了對應化學鍵的方向性和鍵臨界點處的電子密度，并且降低了鍵的各向異性。由于ω相在很多鋯合金中都具有重要作用，這些結果對調控ω相的基本力學性質進而調控相關鋯合金的性能具有指導意義。
　　在金屬間化合物Zr2Cu的四方相中也發(fā)現(xiàn)了贗原子，并且在高壓下其贗原子結構會發(fā)生塌陷，發(fā)生電子密度拓撲轉變，進而導致Zr2Cu晶體發(fā)生等結構相變。由于這個相變同時具有傳統(tǒng)的等結構相變和

5、結構相變的特征，因此我們提出一種新的相變類型叫做準結構相變。
　　對Zr2Cu的三個競爭相的研究發(fā)現(xiàn)，隨著Zr原子堆積偏離四面體程度的增大，Zr原子間的成鍵形式由贗原子鍵(C11b相)轉變?yōu)镃16相的二分叉鍵（香蕉鍵）再轉變成E93相中鋯八面體的直線型鍵。這對鋯基非晶具有一定的隱含意義。在Zr基非晶中存在著許多畸變程度不同的Zr四面體結構，它們極有可能具有這三種不同的電子結構，這將會對Zr基非晶的物化性質具有決定性的作用。