氢致Ni-Al系金属间化合物脆性的第一性原理研究

摘要

Ni-Al系金属间化合物因其具有熔点高、抗氧化性和导热性能好等优点，作为一种新颖的高温结构材料，被广泛地应用。但因其具有室温脆性，严重制约其服役寿命和应用领域。本文采用第一性原理计算的方法对Ni-Al系金属间化合物的晶体结构、形成能、态密度、布居数和弹性常数进行了计算，实现了对其电子结构和力学性质的表征；然后研究了H原子掺杂对NiAl和 Ni3Al晶体结构、电子结构和力学性质的影响，以期揭示其室温脆性机理。
　　Ni-Al系五种金属间化合物的理论计算晶格常数与实验值和其他理论计算值相吻合，计算结果具有较高的可靠性；五种金属间化合物的形成能均为负值，是热力学稳定的，其稳定性排序为：NiAl>Ni2Al3>Ni5Al3>NiAl3>Ni3Al；基于态密度分析可知，五种化合物费米能级处的态密度贡献都主要来自 Ni的3d电子和 Al的3p电子，且 Al的3s和3p轨道与 Ni的3d轨道发生杂化；Ni3Al、NiAl、Ni5Al3、NiAl3和 Ni2Al3在费米能级处态密度的具体峰值为4.51 eV、1.11 eV、3.84 eV、1.65 eV、1.19 eV，稳定性顺序与形成能计算结果相吻合；基于布居数分析可知，Al失去电子，Ni得到电子，Ni-Al形成较强的共价键且居于主导地位。五种化合物均为机械稳定的；NiAl的G/B值为0.253，延性最好；Ni2Al3的G/B值为0.645，表现为脆性。Ni5Al3和 Ni2Al3的杨氏模量分别为210 GPa和209 GPa，可预测其具有较高的硬度。
　　H掺杂 NiAl和 Ni3Al后，优先占据 NiAl中富 Al的八面体间隙和 Ni3Al中Ni原子构成的八面体间隙；H掺杂Ni3Al后，其G/B均大于0.5，表现为脆性，H掺杂 NiAl后，其 G/B值有所增加，与 NiAl相比脆性增加，即 H掺杂导致了两种化合物的脆性。基于态密度分析，得知H的1s轨道与Ni的3d轨道发成杂化。由布居数分析可知，H得到电子，其近邻的Ni得电子能力减弱；H与近邻Ni形成共价键，近邻Ni原子之间形成Ni-Ni反键。H掺杂导致了NiAl和Ni3Al中Ni-Ni反键的形成，因此Ni-Ni键在低应力条件下就会发生断裂，Ni-Ni反键所在晶面成为解理面，NiAl和Ni3Al的脆性增加。

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第1章 绪论

1.1 本文的研究背景

1.2 Ni-Al系金属间化合物的结构和性能

1.3 计算材料学及计算模拟软件简介

1.4 本文研究目的及主要内容

第2章 第一性原理计算和密度泛函理论

2.1 第一性原理概述

2.2 薛定谔方程

2.3 密度泛函理论

2.4 交换-关联能泛函

第3章 Ni-Al系金属间化合物的第一性原理计算

3.1 引言

3.2 Ni-Al系金属间化合物的晶体结构模型及参数设置

3.3 Ni-Al系金属间化合物晶体的电子结构分析

3.4 Ni-Al系金属间化合物的力学性质

3.5 本章小结

第4章 Ni3Al和NiAl室温脆性的第一性原理研究

4.1 引言

4.2 计算模型及计算参数

4.3 电子结构的计算

4.4 H掺杂Ni3Al和NiAl金属间化合物的力学性质

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢