鋯合金和新型陶瓷材料結(jié)構(gòu)與性能的理論研究.pdf

1、目前空間飛行器關(guān)鍵構(gòu)件所用的鋼鐵材料在復(fù)雜苛刻的空間環(huán)境下難以滿足長期服役的技術(shù)要求，需要發(fā)展高強(qiáng)韌化、輕量化等綜合性能更加優(yōu)異的新材料體系。研究表明鋯合金在未來航天器關(guān)鍵活動構(gòu)件具有重大的潛在應(yīng)用價值，而理論開展鋯合金研究可以縮短實(shí)驗(yàn)研究周期，為材料改性提供理論支持。此外，實(shí)驗(yàn)上合成了由過渡金屬、IIIA或IVA以及C或N元素組成的新型層狀材料，這類材料兼有金屬和陶瓷的諸多優(yōu)點(diǎn)，這與組元、晶體和微觀結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，深入研究這類材料結(jié)構(gòu)與

2、性能之間的關(guān)系是一項(xiàng)重要課題。尤其是這類陶瓷材料內(nèi)稟脆性大大限制了其應(yīng)用，而脆性的物理機(jī)制存在較大的爭議，同時該類材料在拉伸和剪切應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及相應(yīng)的強(qiáng)度是待解決的問題。本文利用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，研究了摻雜輕質(zhì)元素對CuZr和TiZr的拉伸強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)的影響，探討摻雜輕質(zhì)元素對其拉伸強(qiáng)度的影響機(jī)理；研究了幾類典型陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及外界施加的拉伸和剪切應(yīng)力下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。主要研究結(jié)果如下：

3、　　1、研究了摻雜輕質(zhì)元素CuZr和TiZr的微觀結(jié)構(gòu)和拉伸強(qiáng)度，得到了沿不同晶向的拉伸強(qiáng)度與摻雜成份和濃度的關(guān)系，利用化學(xué)鍵在拉伸應(yīng)力下的穩(wěn)定性探討了其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的微觀機(jī)制，基于Mulliken布局?jǐn)?shù)分析了造成不同體系沿不同晶向的拉伸強(qiáng)度差異的物理機(jī)制。計(jì)算結(jié)果表明低濃度的摻雜導(dǎo)致了相鄰晶面Ti（或Cu）和Zr之間共價鍵的減弱，不存在使得摻雜體系各原子之間化學(xué)鍵的整體增強(qiáng)，從而實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低濃度摻雜導(dǎo)致CuZr和TiZr拉伸強(qiáng)度增強(qiáng)的機(jī)制

4、是由于Hall-Petch效應(yīng)。
　　2、鑒于AuAl2在航天飛行器的太陽能吸收器上的潛在應(yīng)用，研究了其高壓結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。理論上預(yù)測了實(shí)驗(yàn)上沒有確定的高壓結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算得到了AuAl2的拉伸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，并與Au和Al金屬進(jìn)行了比較。
　　3、研究了M2SC(M=Ti,Zr,Hf)在拉伸和剪切應(yīng)變下的行為、以及其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的微觀機(jī)制。得到了M2SC在拉伸和剪切應(yīng)變下的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，并與相對應(yīng)的二元化合物MC進(jìn)行了比

5、較。利用電子結(jié)構(gòu)計(jì)算分析了M2 SC在拉伸和剪切應(yīng)變下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性微觀機(jī)制。理論預(yù)測了M2SC具有較高的脆性，這種脆性來源于較大的滑移面的位錯，而引起位錯的力可以通過Peierls應(yīng)力計(jì)算來量化。
　　4、研究了Cr2AlX(X=N,C)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、成鍵和彈性性質(zhì)。得到了0–100 GPa壓力范圍內(nèi)Cr2AlX的彈性常數(shù)，電荷密度分布和態(tài)密度表明Cr2AlX存在較弱的Cr–Al鍵和相對較強(qiáng)的Cr–X共價鍵。理論預(yù)測了Cr2AlC具