过渡金属二硼化物的第一性原理计算与分子动力学模拟

摘要

本文主要采用第一性原理、分子力学/动力学及固体与分子经验电子理论方法研究了过渡金属二硼化物（MB2）的电子结构，相稳定性和静/动力学性质，初步探索了原子级的材料设计方法在过渡金属二硼化物基超高温陶瓷设计中的可行性及可能的改进方向。在此基础上提出了材料的强韧化方案，揭示了材料在高温条件下的塑性变形机制；建立了ZrB2基复合材料的微观界面模型，定量化评价了各种界面结合的优劣，给出了针对不同服役环境下的材料选取原则，阐明了AlN作为优良烧结助剂的微观作用机制。
　　基于赝势平面波的第一性原理电子结构计算结果表明，MB2晶格中存在共价键、金属键和离子键的复合键合模式，材料的熔点与晶格单位体积价电子数成正比；随着过渡金属 d层电子增多，MB2的热力学稳定性逐渐降低，但多余的d层电子填充至非键轨道在一定程度上改善了材料的本征脆性，晶格动力学计算结果显示第VIB族MB2是AlB2结构的稳定性边界，综合考虑，给出了添加Nb、Ta元素以韧化ZrB2/HfB2基超高温陶瓷的建议。
　　拟合微变形下的应力-应变曲线获得了与实验值吻合良好的材料弹性常数，MB2沿c轴方向具有较强的结构刚度，表明其良好的层间结合力。弹性模量的空间分布显示，3d电子MB2存在明显的各向异性行为，而4d和5d电子MB2的弹性性能近各向同性。第IVB族MB2在承受小应变时，剪切刚度接近各向同性但层内（a轴方向）的拉伸刚度明显优于层间（c轴方向）。理想脆性断裂模型近似下的临界解理断裂应力计算表明，MB2的基平面、柱平面及锥平面均存在易于解理的晶面，具有开放结构的锥平面临界解理应力甚至低于基平面，材料的解理取决于晶粒的取向及裂纹尖端的应力场分布。
　　通过施加步进应变的方法计算了材料的应力-应变曲线，获得了MB2的理想拉伸及剪切强度，发现最小剪切强度与材料的室温硬度值吻合良好。在理想均匀变形条件下，ZrB2的柱平面滑移系率先开动，当温度足够高时，基平面滑移系开动，该机制很好地解释了实验中观察到的ZrB2显微硬度随温度的非连续变化以及高温弯曲强度测试中发现的材料塑性变形现象。
　　建立了含空位缺陷的晶胞模型，计算发现第IVB族MB2的阴离子空位形成能低于阳离子形成能，与实验中常观察到的MB2阴离子缺位现象一致。MB2的空位扩散机制为：阴离子空位以层内扩散为主，阳离子空位的层内、层间扩散阻力相当。MB2的基平面及柱平面为其一般低能表面，但随着硼原子化学势的升高，锥平面的比表面能降低，因此 MB2的平衡晶体形貌随着硼原子化学势的升高由等高六棱柱逐渐向等轴状二十面体转变。表面结构弛豫一般导致表面功函数的升高，最外层为过渡金属原子的表面结构功函数同比最低。
　　固体与分子经验电子理论的界面电子密度连续性判据能够快速地筛选出可能的择优界面结合形式，但该判据不能应用于界面两侧原子存在较大电负性差的体系。第一性原理界面能计算结果表明ZrB2/β-SiC复合材料中存在ZrB2(0001)-Zr//β-SiC(111)-Si形式的优化界面，β-SiC的增韧机制主要为：异质相界面结合强度较弱，界面解离造成的裂纹偏转有效地消耗了裂纹功。ZrB2和AlN易于形成强界面结合，适量添加AlN有利于改善材料的致密性（烧结性能）。
　　利用晶格反演方法获得了ZrB2和ZrB的原子间相互作用势，对于MB2等存在多重共价键的体系，尽管虚拟晶格由相同的亚点阵构成，但多体作用未能消除，因此反演所得对势并不能很好预测材料的所有弹性性质。采用拟合材料参数的方法获得了具有Tersoff形式的MB2原子间相互作用势，该势能函数能准确地预测MB2的弹性性能，可推广至材料高温性质的预测。

目录

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摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 选题意义

1.2 过渡金属二硼化物研究进展

1.2.1 晶体结构、相稳定性及基本性质

1.2.2 二硼化物在超高温陶瓷领域的研究进展

1.2.3 二硼化物在耐磨硬质领域的应用进展

1.2.4 二硼化锆在功能材料方面的研究现状

1.3 材料设计理论在过渡金属二硼化物研究的应用进展

1.3.1 理论计算在寻找新型MB2 超导体中作用

1.3.2 纳米结构MB2 的理论设计与性质计算

1.4 本文主要研究内容

第2章 MB2 的相稳定性、电子结构与热力学性质

2.1 引言

2.1.1 基本理论及计算方法

2.1.2 收敛性测试

2.1.3 赝势测试

2.2 平衡晶格常数及晶体结合能

2.3 过渡金属二硼化物的电子结构与键合本质

2.3.1 过渡金属二硼化物的电荷密度分布

2.3.2 过渡金属二硼化物的差分电荷密度

2.3.3 过渡金属二硼化物的能带结构

2.3.4 过渡金属二硼化物的态密度

2.3.5 过渡金属二硼化物的Mulliken 布居分析

2.4 二硼化物的热力学性质

2.5 小结

第3章 MB2 的晶格刚度、解理断裂与理论强度

3.1 引言

3.2 计算模型

3.2.1 弹性常数的计算方法

3.2.2 理论强度计算方法

3.2.3 晶格刚度评价与解理断裂计算方法

3.3 过渡金属二硼化物的弹性性质

3.3.1 过渡金属二硼化物的单晶弹性常数及其力学稳定性分析

3.3.2 过渡金属二硼化物的多晶弹性性质

3.3.3 过渡金属二硼化物的弹性各向异性

3.4 MB2（M=Ti、Zr、Hf）的晶格刚度

3.4.1 拉伸刚度

3.4.2 剪切刚度

3.5 MB2（M=Ti、Zr、Hf）的解理断裂能与临界应力

3.5.1 基平面的解理断裂行为

3.5.2 柱平面的解理断裂行为

3.5.3 锥平面的解理断裂行为

3.6 MB2（M=Ti、Zr、Hf）的堆垛层错能与临界滑移应力

3.6.1 基平面滑移

3.6.2 柱平面滑移

3.7 MB2（M=Ti、Zr、Hf）的理论拉伸与剪切强度

3.7.1 拉伸应变下的力学行为

3.7.2 剪切应变下的力学行为

3.8 小结

第4章 MB2 的点缺陷、平衡表面结构及其异质相界面

4.1 引言

4.2 计算模型

4.2.1 空位形成能与扩散激活能

4.2.2 表面结构与表面能

4.2.3 固体与分子经验电子理论的界面研究方法

4.2.4 第一性原理方法的界面研究方法

4.3 MB2（M=Ti、Zr、Hf）的空位形成能与扩散机理

4.3.1 MB2 中阳离子的空位形成能

4.3.2 MB2 中的阴离子的空位形成能

4.3.3 MB2 的层内扩散势垒与过渡态搜索

4.3.4 MB2 的层间扩散机制分析MB2 的层间扩散势垒与过渡态搜索

4.3.5 MB2 的扩散机制分析

4.4 MB2（M=Ti、Zr、Hf）的表面结构与表面能

4.4.1 基平面的表面结构与表面能

4.4.2 柱平面的表面结构与表面能

4.4.3 锥平面的表面结构与表面能

4.4.4 MB2（M=Ti、Zr、Hf）的表面功函数

4.4.5 MB2（M=Ti、Zr、Hf）的平衡晶体形貌预测

4.5 ZrB2/β-SiC、ZrB2/AlN 界面电荷密度连续性判据

4.5.1 ZrB2、β-SiC 及AlN 的价电子结构

4.5.2 ZrB2、β-SiC 及AlN 的低晶面指数表面平均电子密度

4.5.3 ZrB2/β-SiC 及ZrB2/AlN 界面的相对电子密度差

4.6 ZrB2/β-SiC 及ZrB2/AlN 界面结构的第一性原理计算

4.6.1 ZrB2(0001)//SiC(111)界面结构性质的第一性原理计算

4.6.2 ZrB2(0001)//AlN(0001)界面结构性质的第一性原理计算

4.7 本章小结

第5章 硼化物原子间相互作用势的研究

5.1 引言

5.2 计算模型

5.2.1 Carlsson-Gelatt-Ehrenreich(CGE)方法

5.2.2 陈氏晶格反演方法

5.2.3 经验性拟合

5.3 ZrB2 的原子间相互作用势

5.3.1 虚拟晶格的构造

5.3.2 赝势总能曲线的计算

5.3.3 短程相互作用势的反演

5.3.4 势函数有效性检验

5.4 NaCl 结构ZrB 的分子动力学模拟

5.4.1 平衡组态构型与径向分布函数

5.4.2 晶格常数随温度的变化关系

5.5 MB2 的Tersoff 型原子间相互作用势

5.6 小结

结 论

参考文献

附 录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

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