若干二元金屬間化合物電子結構、彈性和熱力學質的密度泛函研究.pdf

1、本論文的目標是利用密度泛函理論和準近諧德拜理論，研究具有典型代表性的二元金屬間化合物的電子結構、熱力學和彈塑性力學等性能，以及替位摻雜對材料性能的影響。本文計算了高溫結構金屬間化合物Ti-Al二元系及其Mn、Nb摻雜體系的彈塑性、彈性模量、電子結構等，分析了替位摻雜對幾何結構、電子結構和鍵強的影響；計算了Al-Sc系四個二元相的電子結構、生成焓、德拜溫度、彈性系數(含模量)和自由能，分析了AlSc和Al3Sc在高壓下的彈性性質；計算了T

2、i-B系的電子結構和TiBx(x=1、2，常壓下)及Ti1-xZrxB2(高壓工況下)的力學參數和熱力學參數，分析了壓力變化對Ti-Zr-B金屬間化合物體系的力學和熱力學性質的影響，如彈性系數、各項異性、德拜溫度和熱熔等；設計并計算了新型超導材料Mg1-xZnxB2的電子結構和彈性系數等，并在推導得到的基于Mc-Millan公式的Tc從頭算公式基礎上，計算了不同Zn摻雜情況下的超導轉變溫度Tc，并分析了Zn摻雜對Mg-Zn-B金屬間化合

3、物體系力學性能的影響。
　　 本文較為系統(tǒng)的計算了上述二元體系及其摻雜系的電子態(tài)密度、體彈模量B、彈性系數Cij、德拜溫度ΘD、生成焓H0、結合能Ecoh、熱熔、自由能和Tc參量等，計算數據與已知可對比的試驗數據符合良好，許多計算結果和分析結論具有獨創(chuàng)性和良好的理論指導價值。主要的研究結果表明：
　　 四方相TiAl中的Nb替位Ti的摻雜，在幾何結構上對體系塑性性能的影響不大，但電子結構計算和布局分析表明，Nb摻雜降低了

4、體系共價性和方向性，并提出當Nb摻雜的摩爾含量在8.33％-12.5％時有利于室溫塑性的改善。Mn替Al位摻雜TiAl3后(Ti3Al8Mn)降低了由Al-Al共價鍵和Al2p-Ti3d雜化鍵形成所帶來的鍵的空間各向異性和高位錯能壘，進而也改善其室溫脆性。
　　 Al-Sc系二元化合物中Al2Sc和Al3Sc結構最為穩(wěn)定。OK時Al2Sc合金化形成能力最強，AlSc2最差；高溫下Al2Sc結構穩(wěn)定性最強，而AlSc2結構穩(wěn)定性最

5、差。研究了高壓下的立方相AlSc和Al3Sc的彈性系數對壓力具有相似的敏感性。由于Al3Sc的各向異性弱于AlSc，因此隨壓力的增高，Al3Sc的脆塑性轉變程度不大，AlSc體系的脆塑性則較大的依賴于壓力的變化，隨著壓力的增大其塑性性能提升。
　　 TiB2的電子成鍵情況較之TiB更為復雜，研究發(fā)現，TiB2的價帶顯示了明顯的拋物線形和類sp帶的特征，且非局域程度及其共價性也比TiB大。壓力作用下，六方TiB2和Ti1-xZrx

6、B2的彈性系數敏感度存在差異，摻Zr體系的剪切各向異性因子A2存在“躍變”現象，且壓力對體系脆.塑轉變起到了重要推動作用；另一方面，Zr的摻雜也降低了TiB2的各向異性，體系延塑性逐漸增大，但整體仍呈現出脆性性質。熱力學方面，重新較為系統(tǒng)的估算了Ti-B和Ti-Zr-B系的熱力學參量，計算表明，TiB熱熔值在所有溫度下都是最大的，TiB2最小，而Ti1-xZrxB2得熱熔值則居于兩者之間；隨著壓力的增大，Ti1-xZrxB2各相的德拜溫

7、度近似線性增大，并且德拜溫度值隨著Zr摻雜量的增大而逐步降低。
　　 較為系統(tǒng)的對超導二元化合物MgB2進行了摻Zn的計算研究，結果表明，隨著Zn量的增大，體系的晶格參數a和c明顯拉長，且呈現出先增大后減小的情況；對于電子結構，純態(tài)的MgB2費米面處主要是B原子的P電子共價成鍵，Mg2+離子降低了π帶，使B原子形成近滿的空穴型σ?guī)?，進而增強了電聲耦合作用；Zn摻雜后，影響了費密能級處的總態(tài)密度Ef等，直接影響了MgB2聲子頻率和

8、電聲耦合強度，研究認為Zn的替位摻雜有利于超導轉變溫度Tc的增大。采用自行推導得到的Tc公式計算表明，隨著Zn量的增多，超導轉變溫度Tc先逐步升高，即當Zn摻雜量x值為0.0833和0.125時，體系的超導轉變溫度分別上升0.716K和0.108K，而當Zn含量繼續(xù)增大時，體系的超導機制部分破壞從而Tc迅速降低。同時，隨著Zn摻雜量的增大，體系的剪切各項異性A2和壓縮各項異性A3整體呈現微弱的下降趨勢，當Zn摻雜量x為0.14左右時，體