鎂合金中典型Laves相結(jié)構(gòu)、電子和熱力學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、具有拓?fù)涿芘沤Y(jié)構(gòu)的Laves相是金屬間化合物中數(shù)量最多的一類化合物。Laves相展現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能，諸如蠕變抗性，磁性以及導(dǎo)電性能，使它可以成為很好的磁性材料、磁-光學(xué)材料和儲(chǔ)氫材料等。根據(jù)原子排列方式的不同，可以將Laves相分為三種典型的結(jié)構(gòu)：C15型面心立方結(jié)構(gòu)MgCu2，C14型六方密排結(jié)構(gòu)MgZn2和C36型雙層六方結(jié)構(gòu)MgNi2。在常溫常壓下，很多實(shí)驗(yàn)和理論工作已經(jīng)對(duì)MgCu2和MgZn2的基礎(chǔ)物性開展了研究，但未曾看到有

2、關(guān)高壓下的性質(zhì)報(bào)道。壓力可以改變物質(zhì)內(nèi)部原子間的相互作用勢，形成具有新穎功能性質(zhì)的新型目標(biāo)材料。同時(shí)，作為鎂基合金中典型析出相，MgCu2和MgZn2在改善微觀組織和機(jī)械性能中扮演著重要角色。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法研究了典型Laves相MgCu2和MgZn2在高壓下的結(jié)構(gòu)、彈性、電子和熱力學(xué)性質(zhì)。本文研究結(jié)果可以為后續(xù)建立材料數(shù)據(jù)庫提供重要幫助，加快材料基因組計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)。
　　首先，對(duì)構(gòu)建的MgCu2和MgZ

3、n2晶胞模型進(jìn)行幾何弛豫，尋找平衡態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)。進(jìn)而施加不同的靜水壓力值，獲取不同壓力下的物理性能。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　獲取了C15型Laves相MgCu2在基態(tài)下的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果和報(bào)道的實(shí)驗(yàn)值非常吻合。MgCu2的單晶彈性常數(shù)以及通過Voigt-Reuss-Hil(VRH)近似法得到的多晶力學(xué)模量都隨著壓力的增大而遞增。其中，彈性常數(shù)C44以及和它相關(guān)的剪切模量對(duì)壓力作用最不敏感。MgCu2的力學(xué)強(qiáng)度以及延展性在高壓

4、下都得到很大的提高。電子結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明 MgCu2具有良好的金屬導(dǎo)電性，費(fèi)米能級(jí)以下區(qū)域的總態(tài)密度主要來自高度局域性的Cu-d軌道的貢獻(xiàn)；費(fèi)米能級(jí)以上的態(tài)密度輪廓呈現(xiàn)低且寬的特性，這是由Cu-d軌道外層電子處于滿占狀態(tài)。壓力作用下，MgCu2的總態(tài)密度曲線向低能級(jí)區(qū)域發(fā)生一定量的偏移；費(fèi)米能級(jí)以下區(qū)域的成鍵峰值強(qiáng)度降低，局域程度減小且贗帶隙變寬，說明原子軌道擴(kuò)展性增強(qiáng)，共價(jià)鍵增強(qiáng)。同時(shí)，隨著壓力的增大，MgCu2晶體中轉(zhuǎn)移的電荷數(shù)增多

5、，離子性增強(qiáng)。
　　比較了典型Laves相MgCu2和MgZn2的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及力學(xué)模量大小。相對(duì)于純鎂基體而言，MgCu2和MgZn2相的析出都可以改善鎂合金的力學(xué)強(qiáng)度和塑性。MgZn2的晶格常數(shù)a和c都隨著壓力的增大而減小，高壓下兩者減小的幅度有所減緩。通過VRH近似法間接得到了MgZn2的多晶體模量B，剪切模量G，楊氏模量E以及泊松比σ等。壓力從0GPa增加到50 GPa時(shí)，費(fèi)米能級(jí)處態(tài)密度值減小了39.62％，表說明MgZ

6、n2相結(jié)穩(wěn)定性有很大的提高。隨著壓力的繼續(xù)增大，MgZn2的總態(tài)密度曲線向低能級(jí)發(fā)生偏移，且費(fèi)米能級(jí)以下區(qū)域的總態(tài)密度峰值降低。有趣的是，總態(tài)密度的峰值在-8 eV區(qū)域發(fā)生劈裂現(xiàn)象，且變的越來越寬。這是因?yàn)?MgZn2晶體中成鍵原子的離域化行為增強(qiáng)。結(jié)合 Mulliken布居分析，我們得出 MgZn2的成鍵特性為離子鍵、金屬間和共價(jià)鍵的組合這一結(jié)論。
　　最后，我們通過準(zhǔn)諧德拜法擬合出 MgZn2相在高溫高壓下的熱力學(xué)性質(zhì)，包括德