铌氢系统的结构稳定性、力学性能和相变

摘要

本文通过分析当今社会的能源问题，说明了氢能源以及储氢材料发展的重要性。首先简要介绍了金属铌及其合金具有高熔点、优异的机械性能、耐热、热传导性好、中子俘获截面低等良好性能和工业领域多方面的广泛应用。由于金属铌具有高氢渗透性和比钯合金更便宜的价格，被普遍认为是最有潜力的新氢渗透膜材料之一。同时金属铌具有较好的吸氢能力，有望成为新型金属储氢材料，但氢与铌之间的作用机理在文献中还存在一些矛盾和问题并且缺乏系统性研究。因此，本文通过第一性原理方法从电子结构角度较为系统地研究了铌氢系统的结构稳定性、力学性能、相变规律以及其本征机理。
　　结果表明：在0≤H/Nb≤0.5时，BCC(T)结构在所有BCC、FCC和HCP结构铌氢相中是热力学上最稳定的结构，而且它的负生成热随着氢含量的增加而呈线性减小。BCC(T)结构铌氢相的弹性模量都随着氢含量的增加而增加，且在0≤H/Nb≤0.5范围内保持韧性。此外，发现各向异性百分比(AG)和通用各向异性参数(AU)都能很好地反映各种铌氢相的弹性各向异性，而且氢的占位对铌氢相的弹性各向异性有重要影响。
　　在1≤H/Nb≤2时，FCC、FCO和FCT结构铌氢相都具有负的生成热，不过FCC结构 NbH1和NbH1.25相具有机械不稳定性，所以它们无法形成。NbH1和NbH1.25相的FCO和FCT结构能共存，NbH1.5和NbH1.75相的FCC和FCT结构也能共存，而NbH2相只有FCC结构。铌氢相NbH在每个成分点弹性模量的大小顺序是：E>B>G，而且铌氢相NbHx的G、E和G/B的值在x=1.5时达到一个最小值。
　　对铌氢系统相变规律的计算研究表明，NbH1和NbH1.25相的FCC结构在能量上相对最不稳定，会自动转化为FCT结构，而且铌氢相NbHx的FCT→FCC转变的本征成分区间是1.5≤x<2.0。在高压下，FCC结构是铌氢相 NbHx中最稳定的结构。从相变行为和电子结构方面看，NbH1和NbH1.25的FCO和FCT结构彼此非常相似，NbH1.5和NbH1.75的FCC和FCT结构也彼此非常相似。另外，分别从泊松比和电子结构的角度对铌氢相NbHx(1≤x≤2)的各种相变进行了分析和讨论，加深了对于相变规律和机制的理解。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 铌及其合金概述

1.3 铌氢系统的研究进展

1.4 选题意义和研究内容

第2章 理论基础及计算方法

2.1 引言

2.2金属自由电子气体模型与能带理论

2.3密度泛函理论

2.4第一性原理及应用软件

2.5本文中材料性能计算使用的软件与选取的参数

第3章 低氢含量时氢对金属铌结构和性能的影响

3.1 引言

3.2氢对金属铌晶体结构的影响

3.3铌氢系统的热力学性能与氢的占位情况

3.4氢对金属铌力学性能的影响

3.5氢对铌氢系统的弹性各向异性的影响

3.6本章小结

第4章 二氢化铌的结构、相稳定性和力学性能

4.1 引言

4.2 相的结构

4.3 相稳定性

4.3力学性能

4.5 本章小结

第5章 二铌化氢的相变规律与机制

5.1 引言

5.2 二氢化铌的相变规律及其本征机制

5.3 二铌化氢的泊松比

5.4 高压相变

5.5 本章小结

结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

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