W(Y)-B-C硬材料及硬质稀土氧硫化物的第一性原理计算

摘要

通过借助计算机的力量我们已经发现了之前未被发现的诸多性能优异的材料。在该研究背景下，本人针对“W(Y)-B-C硬材料及硬质稀土氧硫化物的第一性原理计算”的主题结合第一性原理研究方法展开了对 W-B-C 三元体系、YB2C 及硬质稀土氧硫化物性能的系统研究。主要研究内容及结论如下所示： 已知过渡族元素钨原子与硼和碳原子之间较易形成强的共价键，为了寻找潜在的新型超硬材料，我们针对W-B-C三元体系进行了研究。首先用USPEX结构搜索软件对W-B-C三元体系进行了结构搜索，搜索得到了W2B2C（R3m）、W2B2C （R3?m）、W3B2C2（R3?m）、W3B2C2（R3m）、W4B2C3（Cm）、W4B2C（Pm）、W4B3C （Amm2）、W2B3C（P6?m2）等几个亚稳结构，通过计算W2B2C（R3m）及W3B2C2 （R3m）的维氏硬度分别为36.75GPa、37.92GPa与超硬材料（≥40GPa）的硬度非常接近。W3B2C2（R3?m）、W4B2C3（Cm）及 W3B6C（P6?m2）的维氏硬度也分别达到了 32.26GPa、31.71GPa、27.32GPa，其值也超过了众多常用的结构材料。此外W2B2C（R3m）、W3B2C2（R3m）及W3B2C2（R3?m）的C33值也分别达到了928、916及933GPa，其值与金刚石（Fd-3m）的C11值（1024GPa）几乎相当，这充分表明W2B2C（R3m）、W3B2C2（R3m）及W3B2C2（R3?m）在各自c轴方向的不可压缩性可与金刚石比肩。维氏硬度值较小一些的W3B6C（P6?m2）其在c轴方向的C33也达到了890GPa，几乎可与其他几个结构在该方向的值相抗衡。 通过第一性原理计算研究了具有层状结构的稀土硼碳化物YB2C的晶体结构、电子结构、弹性常数及其在各个滑移系的剪切及拉伸应力-应变曲线。研究发现该化合物呈现金属特性，且 B-p，C-p 及 Y-d 轨道之间杂化形成了较强的相互作用。而YB2C中B-C层中的ELF电子局域分布图表明硼原子与碳原子之间形成了很强的共价键，其维氏硬度为23.46 GPa，可与广为所知的不可压缩材料oP6-OsB2相媲美。此外，我们进一步分析了YB2C在各个滑移系的剪切与拉伸强度发现YB2C在各个方向也具有很高的强度。 通过对稀土钢中的主要稀土氧硫化物Ce2O3、Ce2SO2、CeS、La2O3、La2SO2、LaS及钢中原有主要夹杂物Al2O3、CaO的体模量、剪切模量、Pugh比、杨氏模量、维氏硬度、泊松比及热膨胀系数的研究得出：相对于钢中原有主要夹杂物 Al2O3、CaO 稀土钢中的稀土氧硫化物可以有效降低钢材在服役过程中热应力及裂纹的产生，从而可使钢材的性能得到极大的提高。

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