三元层状碳化物复合材料的电子结构研究

摘要

层状碳化物由于其优异的性能而受到材料科学工作者的广泛重视。由于其综合了金属和陶瓷的诸多优良性能，像金属一样，常温下有很好的导热性能和导电性能、相对较低的Vickers硬度、较高的弹性模量、剪切模量和良好的延展性。同时，像陶瓷一样有高的屈服强度、高热稳定性、良好的抗氧化性能，在高温下能保持高强度。而更为重要的是，它不同于传统碳化物陶瓷，可以像金属一样用传统的加工方式进行加工，并具有比二硫化钼和石墨更低的超低摩擦系数和优良的自润滑性能。这些优异性能使其具有广阔的应用前景，并成为新材料研究中的重要对象。而层状碳化物复合材料更是加强了层状碳化物的一些性能，例如，Cu/Ti<,3>SiC<,2>复合材料的致密程度提高，而材料致密度的提高也就表现在材料的导电率、硬度和力学性能方面：而在Ti<,2>AlC、Ti<,3>AlC<,2>中引入TiB<,2>颗粒能明显改善材料的硬度和强度，因此层状碳化物复合材料有很广泛的应用前景。 本文用离散变分密度泛函(DFT-DVM)方法计算了Ti<,3>SiC<,2>，Ti<,3>SiC<,2>/Al，Ti<,2>AlC、Ti<,3>AlC<,2>及掺Si系列，Ti-Al-C系/TiB<,2>，Ti<,2>AlN，讨论了组成，电子结构，化学键等与性能之间的关系。 Ti<,3>SiC<,2>掺Al以后，离子键会发生一点变化，但并不对其性能产生很大的影响。Al-Ti的共价键变得相对弱一些，而同一层的Al-Si的共价键明显强于掺杂之前的Si-Si的共价键。因此，在制备Ti<,3>SiC<,2>时，加入适量的Al可促进Ti<,3>SiC<,2>的生成。Ti<,3>SiC<,2>及掺杂系列的态密度表现出了形成混合型导体的趋势，Ti<,3>SiC<,2>更易形成半导体。掺Al以后费米能级附近的总态密度大于掺杂前，所以掺Al能够增强导电性。 Ti<,2>AlC掺Si以后共价键和离子键键能都减弱，且掺Si后Si与Ti之间的相互作用明显地比掺杂前Al和Ti之间的相互作用弱。Ti<,3>AlC<,2>的共价键和离子键都比Ti<,2>AlC强。以上结论与Ti<,2>AlC的制备过程中，加入适量的Si，有利于Ti<,3>AlC<,2>相的生成而不是有利于Ti<,2>AlC的生成的实验结果一致。Ti<,2>AlC，Ti<,3>AlC<,2>及掺杂系列的态密度表现出了形成混合型导体(导体和半导体)的趋势，且在Ti<,2>AlC中加入Si元素之后形成半导体的趋势更为明显。 在Ti-Al-C系/TiB<,2>复合陶瓷材料中，复合体系界面上两相之间的离子和共价相互作用较强。Ti<,3>AlC<,2>/TiB<,2>复合体系的界面相互作用及整体的离子键和共价键比Ti<,2>AlC/TiB<,2>强，这与Ti<,3>AlC<,2>/TiB<,2>的力学性能优于Ti<,2>AlC/TiB<,2>的实验结果一致。 Ti<,2>AlC和Ti<,2>AlN的离子键强度差异不大，Ti<,2>AlN共价键强度比Ti<,2>AlC中大，其差异大于离子键强度的比较。实验表明，Ti<,2>AlN的硬度比Ti<,2>AlC大，应该主要是由它们共价键强度的差异所导致的。从总态密度可见，Ti<,2>AlC 和 Ti<,2>AlN 都有在最低导带(LCB)和最高价带(HVB)之间形成较窄的禁带的趋势，即表现出形成混合型导体(导体和半导体)的趋势，而Ti<,2>AlC形成禁带的趋势要比Ti<,2>AlN更为明显，这与Ti<,2>AlN的电导率大于Ti<,2>AlC的实验结果一致。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2研究现状

1.2.1复合材料的制备方法

1.2.2研究进展

1.3研究意义

1.4本论文的研究内容

第2章 量子化学计算理论

2.1绝热近似和Hartree-Fock近似

2.1.1绝热近似(Born-Oppenheimer近似)

2.1.2 Hartree-Fock近似

2.2离散变分密度泛函理论(DVM-DFT)

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程

2.2.2密度泛函理论中的近似

2.2.3离散变分方法

第3章 Ti3SiC2及其掺杂系列的电子结构计算

3.1 Ti3SiC2及其掺杂系列陶瓷的电子结构计算模型

3.2计算结果及讨论

3.2.1净电荷

3.2.2共价键

3.2.3等值线图

3.2.4态密度

3.3小结

第4章 Ti2AlC、Ti3AlC2及其掺杂系列的电子结构计算

4.1 Ti2AlC及其掺Si系列的电子结构计算模型

4.2 Ti3AlC2的电子结构计算模型

4.3计算结果及讨论

4.3.1净电荷

4.3.2共价键级

4.3.3态密度

4.4小结

第5章 Ti-Al-C系/TiB2复合材料的电子结构计算

5.1 TiB2的电子结构计算模型

5.2 Ti2AlC系/TiB2复合材料的电子结构计算模型

5.3 Ti3AlC2系/TiB2复合材料的电子结构计算模型

5.4计算结果及讨论

5.4.1净电荷

5.4.2共价键

5.4.3态密度

5.5小结

第6章 Ti2AlN陶瓷材料的电子结构计算

6.1 Ti2AlN陶瓷材料的电子结构计算模型

6.2计算结果及讨论(Ti2AlC与Ti2AlN的比较)

6.2.1净电荷

6.2.2共价键

6.2.3态密度

6.3小结

第7章 结论

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文