基于第一性原理的磁致伸缩材料FeGa的物理性质研究

摘要

铁化镓（FeGa）合金是继传统磁致伸缩材料（Ni，FeAl等）和铽镝铁（TbDyFe）稀土超磁致伸缩材料之后出现的一种新型磁致伸缩材料，是人们在新型高性能磁致伸缩材料探索中的一个重要发现，具有高应力灵敏度、良好的热-机械性能和磁致伸缩性能，填补了传统磁致伸缩材料和稀土超磁致伸缩材料之间的空白，在超声领域和微位移器等方面有较大的潜在应用价值。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了磁致伸缩金属FeGa的弹性性能与热力学性能等物理性质，并进一步探究了压力、温度等因素对FeGa合金弹性性能的影响。 本文着重对Ga含量为25％的Fe3Ga合金进行了研究。第一部分首先对DO3相的FeGa合金的弹性性质与热力学性质进行了详细的探讨，发现DO3相的FeGa合金具有负的泊松比与很小的四方剪切模量值等特殊性质。其次详细研究了温度因素对DO3相的FeGa合金的弹性性能的影响。为了进行比较，同时计算了温度对Ga含量为25％的L12和DO19型FeGa合金的弹性性能的影响。计算结果表明，三种相的FeGa合金的弹性常数和弹性模量皆随温度的升高而下降。FeGa合金的结构在室温下是稳定的，并且展现出良好的延展性。然而，温度的升高对于FeGa合金的弹性具有一定的影响，尤其对DO3型Fe3Ga合金来说，它的两种剪切模量和杨氏模量的下降速率要远快于L12和DO19型Fe3Ga，这与弹性常数随温度而变化规律相吻合。另外，DO3型Fe3Ga的剪切模量与体积模量的比值（G/B）也随温度下降的十分迅速，这表明随着温度的上升，DO3型Fe3Ga的延展性有所提高。然而对于L12和DO19型Fe3Ga，可以明显的看到它们的剪切模量、杨氏模量和G/B的值对温度的变化并不敏感，因此它们的弹性性能具有较好的温度稳定性。随后，本文介绍了压强对DO3型FeGa合金弹性常数大小的影响，发现压强对FeGa合金的弹性常数影响十分微小，但是压强与弹性常数之间呈现出良好的线性关系，可以作为我们对FeGa合金弹性性能微调的手段。 随后，本文介绍了Ga含量对FeGa合金体系结构稳定性的影响。在研究中对四种Ga含量的FeGa合金的结合能、弹性性能和电子结构进行了计算，计算结果显示随着Ga含量的增加结合能的大小减小，表明合金的稳定性下降。弹性常数C11的值随着Ga含量的增加而减小，表明合金在抵抗[001]方向的形变能力下降。体积模量的值随着Ga含量的增加而增加，而剪切模量的值随着Ga含量的增加而减小。四方剪切模量的值随着Ga含量的增加直线下降，这与结合能和剪切模量降低的趋势一致。FeGa电子结构的分析表明Ga原子的掺入能够增强费米能级附近成键电子数的数量。随着Ga含量的上升，赝能隙变得越来越软，这个软化趋势将会把费米能级带入高能级中，这将会使得金属的稳定性下降。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 磁致伸缩效应

1.1.2 磁致伸缩的机理

1.2磁致伸缩材料的研究背景

1.3 FeGa磁致伸缩材料

1.3.1 Fe-Ga合金的研究现状

1.4 论文选题依据与内容

1.4.1 选题依据

1.4.2 研究内容

第二章 计算理论基础及方法

2.1 引言

2.2 Hohenberg-Kohn定理和密度泛函理论

2.3 弹性模量的意义及计算

2.4 赫姆霍兹（Helmholtz）自由能

第三章 DO3结构的Fe3Ga合金的弹性性能与热力学性能研究

3.1 引言

3.2 计算模型

3.2.1计算参数

3.3计算结果与讨论

3.3.1弹性模量计算

3.3.2声子计算

3.3.3热力学性质

3.4总结

第四章 温度和压强对Fe3Ga合金的弹性性能的影响

4.1 引言

4.2 DO3、L12、DO19型Fe3Ga合金的参数设置

4.3 DO3、L12、DO19型Fe3Ga合金弹性性能的温度依赖性

4.3.1声子计算

4.3.2高温弹性理论

4.3.3 弹性性能随温度的变化规律

4.4 线膨胀系数

4.5 DO3型Fe3Ga合金弹性常数的压强稳定性

4.5.1 对晶胞z轴向加压

4.5.2 在z方向预加压力后再施加外部压力

4.6 小结

第五章 Ga含量对FeGa合金的稳定性影响和机理分析

5.1 引言

5.2 结合能

5.3 弹性性能

5.4 电子结构

5.5 小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢