立方结构镁合金的力学与阻燃性质

摘要

镁合金作为最轻的结构材料,已应用到3C行业、交通运输业及航空航天业中。与铝合金等材料相比,镁合金的应用还是非常有限的,这主要是由两大原因造成的:镁合金力学性能差;镁合金易氧化腐蚀。研究表明:添加稀土元素不仅能够增强镁合金的力学性质,还可以改善镁合金的阻燃性质。然而,目前大部分关于稀土镁合金的工作仅限于实验研究,稀土元素在镁合金中的作用机理还不是很清楚。
　　第一性原理已成为计算固体及表面性质的有效工具。论文主要分为两大部分:第一部分详细计算了几种典型立方结构镁合金的结构、电子和力学性质;第二部分计算了氧原子在Mg3Nd(001)面吸附的能量、吸附结构及电子态密度。论文主要包括以下内容:
　　(1)采用第一性原理方法计算了Mg3Gd,Mg3Gd0.5Y0.5及Mg3Zn3Y2的结构、电子和力学性质。结果表明:添加 Y元素能起到细化镁合金晶粒的作用(0.35％);结合能、形成能和电子态密度的计算结果表明,Mg3Zn3Y2合金具有较强的结构稳定性,且归因于费米能级以下较多的价电子数目。计算得到的合金的弹性常数(C11, C12和C44)及弹性模量(剪切模量G,杨氏模量Y,泊松比?和各向异性因子A),在此基础之上进一步讨论了材料的力学性质。
　　(2)采用第一性原理方法计算了 Mg17Al12和 Mg24Y5的结构、电子和力学性质。计算得到的晶格常数与实验值非常吻合。合金的结合能和形成能的计算结果表明:与Mg17Al12,合金相比,Mg24Y5合金具有较强的结构稳定性和合金化能力。首先计算得到了合金的弹性常数(C11, C12及C44),然后计算得到合金的弹性模量(G, Y,?及A),最后对材料的韧性及延展性等力学性质进行了讨论。
　　(3)采用密度泛函理论计算了最稳定的 Mg3Nd(001)吸附面以及氧吸附后的结构和电子性质。结果表明,最稳定的吸附点为(2Nd+Mg)空位,且随着覆盖率的增大,吸附能大致呈下降趋势。在低覆盖率(0.125ML,0.25ML)情况下,Mg原子背离O原子的方向弛豫,而Nd原子向着O原子方向弛豫而最终成为O原子最近临原子。当覆盖率增大至1ML时,从结果分析可知O原子陷入金属表面。通过分析电子态密度可知:在低覆盖率下吸附体系的总态密度主要来源于O原子的2p轨道和Nd原子的5d轨道的杂交;在高覆盖率的情况下(0.5ML和1ML),Mg原子的3s轨道和O原子的2p轨道开始杂交起来,我们推测这也可能是0.5ML下的吸附能比0.25ML的略高出0.014eV/atom的原因。通过以上的分析可以预测:在氧化的过程中,大量Nd原子向表面聚集而首先被氧化,进而形成富Nd氧化膜,从而展现良好的阻燃效果。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 引言

1.1 镁合金的特点及应用

1.2 镁合金的研究现状及分类

1.3 稀土镁合金的研究进展

1.4 镁合金的理论研究现状

1.5 本文的研究内容、目的及意义

第2章 计算方法

2.1 密度泛函理论

2.2 交换关联能泛函近似

2.3 波函数的处理

2.4 结构处理

2.5 VASP软件包简介

第3章 Mg3Gd,Mg3Gd0.5Y0.5,Mg3Zn3Y2的力学和电子性质

3.1 引言

3.2 计算参数、模型及方法

3.3 平衡结构性质

3.4 弹性

3.5 电子结构

3.6小结

第4章 Mg17Al12, Mg24Y5的结构和力学特性

4.1引言

4.2计算参数和模型

4.3 平衡结构性质

4.4 弹性

4.5 电子结构

4.6 小结

第5章 Mg3Nd(001)面的氧吸附及阻燃性质

5.1 引言

5.2 计算参数和模型

5.3块体Mg3Nd及其清洁表面

5.4 单个氧原子吸附

5.5 多个氧原子吸附

5.6 电子结构

5.7 小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简介

攻读硕士学位期间发表的论文