Ca(2-x)MgxSn(x=0,1,2)的弹性性能和电子结构的第一性原理计算

摘要

镁基合金因为具有低密度、高比强度以及良好的铸造能力等优势，在航空航天和汽车工业的应用上吸引了相当大的注意力。但是它的应用仍然受到限制，原因在于当提高温度后镁合金的强度变得较低，抗疲劳性能变弱，还有耐蠕变性降低。现今，在提高镁合金的机械性能方面上花费大量的精力和体力，众所周知，通过合金化效果提高镁合金的机械性能是非常显著的。目前非铝-镁基合金作为下一代商业镁合金已经引起了广泛的关注，而Ca-Mg-Sn合金体系在非铝-镁基合金系中是一个重要的合金体系。因此本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法来研究预测Ca(2-x)MgxSn(x=0，1，2)合金相的弹性性能和电子结构等方面的内容。
　　 优化计算所得Ca(2-x)MgxSn(x=0，1，2)的品格参数和原子内部坐标与实验值符合的很好，并且其负的形成焓表明它们都具有热力学稳定性，稳定性从高到低依次为Ca2Sn、CaMgSn和Mg2Sn。Ca(2-x)MgxSn(x=0，1，2)的弹性常数都符合力学稳定性准则。随着Ca2Sn中4个Ca1原子被Mg原子取代后，从整体上来分析，其弹性常数、弹性模量、抗剪切能力、脆性以及德拜温度都是增加的，但弹性各向异性程度是减小的。而对于立方结构的Mg2Sn来说，它的这些性质和CaMgSn都是非常接近的。Ca(2-x)MgxSn(x=0，1，2)的态密度、能带结构以及电荷密度分布图从微观上去描述原子之间的相互作用和差异，从态密度和能带结构中发现Ca2Sn是一个有直接带隙的半导体，其带隙值为0.068eV。而CaMgSn和Mg2Sn是金属导体，并且DOS图中费米能级处的赝能隙表明CaMgSn和Mg2Sn相中有共价键。从电荷密度分布图中可以看出Ca2Sn相中主要是以带有离子特性的Ca-Sn共价键为主，而当其相中4个Ca1原子被Mg原子取代后，在CaMgSn相中形成强烈的Sn-Sn共价键。在Mg2Sn相中同样拥有类似于CaMgSn的Sn-Sn共价键。这和DOS图预测CaMgSn和Mg2Sn有共价键是吻合的。因此，Sn-Sn共价键在提高Ca(2-x)MgxSn(x=0，1，2)的弹性性能中起着重要的作用。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 镁及镁合金的发展

1．1．1 镁元素的特征及分布

1．1．2 镁合金的发展及特点

1．2 镁合金的功能分类

1．2．1 高强度镁合金

1．2．2 耐热镁合金

1．2．3 阻燃镁合金

1．2．4 阻尼镁合金

1．2．5 储氢镁合金

1．3 镁合金的应用

1．3．1 航空航天中的应用

1．3．2 交通工具中的应用

1．3．3 电子产品中的应用

1．4 Ca-Mg-Sn合金概况

1．5 计算材料的基本理论和方法

1．6 本文主要工作

第二章 理论基础及弹性计算方法

2．1 从波函数到密度泛函理论

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Hohenberg-kohn定理

2．2．2 Kohn-Sham方程

2．2．3 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)

2．3 基态和赝势

2．4 能量最小化

2．5 弹性常数计算方法

2．6 VASP软件包介绍

第三章 Ca(2-x)MgxSn(x=0，1，2)的弹性性能和电子结构的研究

3．1 前言

3．2 计算方法及参数设置

3．3 结果与讨论

3．3．1 几何优化与形成焓

3．3．2 弹性性能

3．3．3 弹性各向异性

3．3．4 德拜温度

3．3．5 电子结构

3．4 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文