基于第一性原理研究合金化对Nb-Si系金属间化合物性能的影响

摘要

Nb-Si系金属间化合物材料是一种新型的高温结构材料的有非常好的发展前景，具有高熔点，高强度，低密度等优点，但由于其较大的室温脆性及其导致的较差的加工性能制约了其服役寿命和应用领域。本文通过第一性原理，计算了三种结构的Nb5Si3金属间化合物的晶体结构、热力学和机械稳定性、力学性质和电子结构等，并获得了Nb5Si3的最稳定的晶体结构；在此基础上，研究了合金元素 M（M=Ti、Cr、Al、Hf、Ga、B、C和 Y等）掺杂对α-Nb5Si3的晶体结构、稳定性和力学性质的影响，希望通过研究解决Nb5Si3的室温脆性。
　　通过研究发现：三种不同结构的Nb5Si3形成能均为负值，均为热力学稳定的，其中α-Nb5Si3最稳定。α-Nb5Si3、β-Nb5Si3和γ-Nb5Si3的体积模量分别为：192.3 GPa、188.6 GPa和185.9 GPa；剪切模量分别为130.9 GPa、111.4 GPa和24.4 GPa。其中，α-Nb5Si3具有最高的体积模量和剪切模量。基于 Pugh的经验判据，B/G值越大，材料韧性越好；反之，材料的脆性越大；α-Nb5Si3和β-Nb5Si3的B/G均小于1.75，为脆性，且α-Nb5Si3的脆性大于β-Nb5Si3。一般来说，费米能级的位置和费米能级处的态密度决定金属间化合物稳定性,α-Nb5Si3、β-Nb5Si3和γ-Nb5Si3在费米面态密度值依次为14.84 eV、18.89 eV和23.64 eV。α-Nb5Si3结构最稳定，γ-Nb5Si3结构最不稳定，这与形成能的计算结果一致。α-Nb5Si3、β-Nb5Si3和γ-Nb5Si3费米能级附近态密度主要是来自于Nb的4d电子及Si的3p电子的贡献。
　　根据合金化α-Nb5Si3形成能的计算结果可知：合金元素Ti和Cr择优取代α-Nb5Si3中4c位置的Nb原子，Hf和稀土元素Y择优取代16l位置的Nb原子，Al和Ga则优先取代4a位置的Si原子，B和C取代8h位置的Si原子。Ti、Hf、B合金元素的添加提高了α-Nb5Si3的稳定性，Cr、Al、Ga、C和 Y合金元素则降低了α-Nb5Si3的稳定性。在掺杂的合金元素中， Ti对B/G的影响不大，其他合金元素均提高了B/G的值，即提高了α-Nb5Si3的韧性。合金元素掺杂后，在费米面附近均出现了赝能隙，说明掺杂后的体系仍是稳定的。费米面附近的态密度的结果也与形成能的计算结果一致，即更稳定的结构对应于更低的费米面附近的态密度。

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第1章 绪论

1.1本文的研究背景

1.2 Nb-Si基金属间化合物的研究现状

1.3解决金属间化合物室温脆性的主要方法

1.4选题意义及本文研究内容

第2章 计算方法理论

2.1引言

2.2 Born-Oppenheimer近似 和 Hartree-Fock 近似

2.3交换-关联能泛函

2.4平面波赝势方法

2.5 CASTEP 软件包及其功能简介

第3章 Nb5Si3的电子结构及力学性质研究

3.1引言

3.2三种结构Nb5Si3的计算方法及模型

3.3 Nb5Si3的电子结构计算及性能表征

3.4本章小结

第4章 合金化对α-Nb5Si3的电子结构和力学性质的研究

4.1引言

4.2合金元素掺杂α-Nb5Si3的晶体结构模型的构建方法

4.3合金元素掺杂对α-Nb5Si3的电子结构和力学性质的影响

4.4本章小结

结论

参考文献

致谢