Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金位错芯区电子结构及磁场作用研究

摘要

Al-Zn-Mg-Cu(7xxx系)高强铝合金被广泛应用于航空航天及交通运输领域，其内的位错及主要增强相对该系铝合金的组织和性能有着极其重要的影响。量子力学作为描述微观世界电子运动基本规律和研究材料宏观物性的理论基础，已经被广泛应用于材料设计、物性研究等方面。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金内无缺陷区及位错芯区的电子结构，并进一步研究了磁场对无缺陷区及位错芯区电子结构的影响机制。
　　以含位错铝晶体为研究对象，与无缺陷铝晶体特征对比后研究发现：从态密度图看，位错芯区附近的原子在费米能级附近出现新的态密度峰，费米能级附近的电子发生重排，位错芯区的电子活性增强；从电子云分布特征来看，位错芯区上部电子存在向位错芯区下部转移的趋势，同时在位错芯区，出现了明显的电子云缺失与偏聚，这种电子云不均匀性在一定程度上将影响晶体内合金原子在位错芯区的偏聚和分布，增加电子与合金原子的反应活性；从电子自旋极化看，非基态下，在无缺陷铝晶体中上下相邻两层原子的电子自旋磁矩方向相反，原子层之间存在排斥作用；而对于含位错铝晶体，位错芯区上方原子的电子自旋磁矩方向相同而使得位错芯区上下两层原子之间的排斥作用更加明显，此时原子层间相互吸引力减小，运动能力增强，有助于提高材料在磁场下的宏观塑性。
　　以含 MgZn2的铝晶体超晶胞为研究对象，首先根据态密度图与电子云分布得到铝原子与MgZn2的成键性质：MgZn2与周边铝原子的成键方式多样，包括极性共价键、离子键等，键能最高原子间的成键方式是 MgZn2的 spd杂化态电子与周边铝原子的 p态电子相互作用而成键。其次从电子自旋极化方向看，MgZn2和紧邻上下原子的电子自旋磁矩方向都相反，这将弱化 MgZn2与原子间的键强，促使原子层在磁场下沿滑移面滑动时变得容易；在 E=-0.6 eV处，MgZn2和上方紧邻原子之间的化学键在磁场下将发生 S-T转变，由稳定态变为激发态，进一步导致原子层沿滑移面滑动时更加容易，有益于提高材料宏观塑性。
　　以含MgZn2的位错芯超晶胞为研究对象，首先从态密度分析得出，在 E=-0.6 eV处，MgZn2的 spd杂化态电子与位错芯区紧邻铝原子的 p、s态电子相互作用而成键，费米能级上方铝原子的 p态电子未与MgZn2成键，而是巡游于原子四周。其次从电子云分布看，由于位错芯区上部多了一纵层原子，致使位错芯区上部电子存在向位错芯区下部转移的趋势，并在位错芯区发生了剧烈的化学成键过程。再者从电子自旋极化方向看，所选原子的电子自旋磁矩方向趋向于具有相同的方向，分析可能与位错芯区巡游的 p态电子有关；在 E=-0.6 eV处，位错芯区MgZn2与铝原子之间的最强化学键在磁场下将发生 S-T转变，由稳定态变为激发态，这将导致原子层沿滑移面滑动时更加容易。
　　综合来看，在 Al-Zn-Mg-Cu高强铝合金位错芯区，原子态密度、电子云分布和成键特性都发生了改变，原子反应活性增加；当以电子自旋极化为依据讨论磁场作用时，认为磁场下电子自旋磁矩向着减少原子层间相互作用的方向发生变化，有助于提高原子层沿滑移面的滑动能力，对提高材料塑性变形能力有益，为磁致塑性效应提供了量子尺度的理论支持。

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第一章引 言

1.1研究背景

1.2 Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金的发展概况

1.3磁场对材料性能的影响

1.4第一性原理方法概述

1.5本文研究的主要内容

第二章计算模型与方法

2.1铝晶体及位错模型构建

2.2含MgZn2相铝晶体及位错模型构建

2.3计算方法简介

2.4铝晶体层错能计算

2.5本章小结

第三章铝晶体和位错芯区电子结构及磁场作用研究

3.1无缺陷铝晶体与含位错铝晶体的能带结构与态密度分析

3.2含位错铝晶体内位错芯区周边原子态密度分析

3.3无缺陷铝晶体与含位错铝晶体的电子密度分析

3.4含位错铝晶体内位错芯区周边原子布居分布分析

3.5无缺陷铝晶体与含位错铝晶体的电子自旋极化态密度分析

3.6 本章小结

第四章含MgZn2相和位错的铝晶体超晶胞的电子结构及磁场作用研究

4.1含MgZn2相和位错的铝晶体超晶胞的电子结构研究

4.2含MgZn2相铝晶体和含MgZn2相及位错超晶胞的电子自旋极化研究

4.3本章小结

第五章全文总结及未来展望

5.1全文总结

5.2未来展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文