Ti-Si-N類超硬表面的結構和力學性能的第一性原理計算.pdf

1、本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，運用VASP軟件包對Ti-Si-N類的復合結構及其力學性能進行了計算研究。研究的目的是：(1).考察這類復合材料的最低能量構型；(2).通過計算這類復合材料的彈性模量和彈性常數(shù)來分析其力學性能。 第一部分研究工作是通過計算結構總能量和結合能考察最低能量構型。為了計算結合能，先計算出單原子能量和對應的最低能量構型的總能量。本研究中對鈦族和釩族氮化物以及相應氮化物加硅復合材料的結合能進行

2、了計算。計算結果表明：(1)。對于TiN晶體內考察加入一個硅原子的占據hollow位、plane hollow位、占據一個N原子位和占據一個Ti原子位，分別求得的結合能為451.73eV、433.05eV、443.18eV和446.91eV，都低于TiN晶體的結合能457.69eV。這說明硅原子不能存在于TiN晶粒內部，而只能存在于晶界中。當TiN晶界寬度為2.75A時結合能降為425.86eV時，加入硅原子使晶界結合能提高為426.4

3、7eV，說明在TiN晶界寬度大于2.75A時硅原子是容易存在于晶界中的。(2).Zr-Si-N、Hf-Si-N、Nb-Si-N和Ta-Si-N復合材料的結合能為478.4eV、496.1eV、457.9eV和485.2eV都低于對應的氮化物結合能482.6eV、502.6eV、462.6eV和485.9eV，而只有V-Si-N的結合能408.0eV高于VN的結合能407.8eV。這說明硅原子可以進入VN晶粒內，而不能進入其他的鈦族和釩族

4、氮化物晶粒內，很有可能存在于晶界中。 第二部分的研究工作是通過計算彈性模量和彈性常數(shù)考察力學性能，彈性模量和彈性常數(shù)是內能與應變函數(shù)關系中在小應變條件下的二次項系數(shù)。本文對鈦族和釩族氮化物以及相應氮化物加硅復合材料的彈性模量和彈性常數(shù)進行了計算。計算得出：(1).TiN、ZrN、HfN、VN、NbN和TaN體模量分別為280.9GPa、258.5GPa、277.9GPa、316.6GPa、312.45GPa和293.61GPa而

5、相應的實驗值為286GPa、264GPa、278GPa、333GPa、317GPa和338GPa，相對誤差在范圍0.03％-13％，充分說明計算模型和方法的準確性。(2).考察Ti-Si-N復合材料的力學性能的計算模型有TiN晶體體心加Si及邊界加Si的兩種情況。在TiN超胞體心位置加Si后體積模量為285GPa略高于未加Si時的280.9GPa，TiN晶界寬度為2.75A時可放入Si原子，計算得到的彈性常數(shù)C44為159.7GPa，此