韧性稀土金属间化合物的制备、力学性能与电子结构研究

摘要

具有化学计量比的金属间化合物由于它们的化学、物理、电学和磁学性能优于普通金属，另外金属间化合物原子间结合力强、熔点高，高温下仍能保持较高的强度，同时具有良好的抗蠕变和抗氧化能力，是极具潜力的新型高温结构材料，所以受到人们的青睐，但是很少实际应用被实现，因为它们在室温下很脆。本论文研究的是一类完全有序，在室温下有很高韧性具有化学计量比的二元稀土金属间化合物(RM)。人们通常采用特殊条件，比如偏离化学计量比、亚稳无序结构或掺杂来使金属间化合物在室温下达到一定的塑性，而在这些独特的B2型稀土金属间化合物中没有采用上述任何一种方法。由于在未采取任何改善措施的情况下，RM就能在室温空气中表现出良好的韧性，因此RM不仅具有极大的应用前景，更为研究其它金属间化合物室温脆性的本质提供了新的契机。 本论文研究了二元韧性稀土金属间化合物的制备、力学性能与电子结构。首先在制备过程中，利用冷坩埚感应悬浮熔炼法(CCLM)成功制备了具有化学计量比的二元韧性稀土金属间化合物，并对其进行材料表征。第二步，对所制得的试样进行压缩和拉伸力学性能测试，并对其断口进行了扫描分析，测试与分析结果表明RM在室温下具有明显的室温韧性，在相同拉伸速率下多晶DyCu的室温抗张伸展率比多晶YCu更好，多晶YCu 的室温拉伸性能对拉伸速率比较敏感，而且具有反常行为。为了深入理解RM反常的室温韧性，利用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波法(FP LAPW)研究了RM 中具有代表性的YCu、DyCu、YAg的电子结构。对YCu和YAg采用GGA近似法，而对DyCu采用了LDA+U法，首先从总能量、形成能、电子态密度和能带结构分析出YCu的B27相在低温下比B2相更稳定，其次详细讨论了DyCu采用LDA+U法的计算结果，最后对YCu、DyCu、YAg的电子结构和弹性常数进行比较研究。论文创新性地从电子结构层面揭示了RM具有高室温韧性的机理，为其反常的室温韧性提供了可靠的依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第1章绪论

1.1金属间化合物概述

1.2金属间化合物的制备方法

1.2.1机械合金化

1.2.2熔炼法

1.2.3自蔓延高温合成

1.2.4粉末冶金

1.3 B2型金属间化合物的力学性能研究进展

1.4稀土元素在金属间化合物中的作用

1.5金属间化合物第一性原理研究现状

1.5.1第一性原理计算

1.5.2线性缀加平面波法

1.5.3金属间化合物的第一性原理计算

1.6选题背景及意义

第2章实验研究内容及方法

2.1韧性稀土金属间化合物的制备

2.1.1实验材料准备

2.1.2试样制备

2.2RM的材料表征

2.3力学性能测试与断口分析

2.4 RM电子结构的第一性原理计算

第3章多晶YCu和DyCu的制备与力学性能研究

3.1实验简介

3.2多晶YCu和DyCu的制备与表征

3.3多晶YCu和DyCu的力学性能研究

3.3.1压缩性能

3.3.2拉伸性能

3.4试样断口扫描分析

3.5 RM室温塑性机理讨论

3.6本章小结

第4章YCu相稳定性和电子结构的第一性原理计算

4.1实验简介与计算方法

4.2计算结果与讨论

4.2.1体积优化

4.2.2形成能

4.2.3电子态密度

4.2.4能带结构

4.3本章小结

第5章DyCu电子结构的第一性原理计算

5.1实验简介与计算方法

5.2计算结果与讨论

5.2.1体积优化

5.2.2电荷密度

5.2.3电子态密度

5.2.4能带结构

5.3本章小结

第6章YCu、DyCu、YAg电子结构和弹性常数的比较研究

6.1实验简介与计算方法

6.2计算结果与讨论

6.2.1体积优化

6.2.2电子态密度

6.2.3弹性常数

6.3本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果、研究经历和所获奖励