5d过渡金属二氮化物及其镁基固溶体强化作用的第一性原理研究

摘要

5d过渡金属具有高熔点和高的体弹性模量，其形成的化合物和合金具有超硬材料和耐高温的特性，已在超硬材料和合金强化等方面得到应用。
　　 目前在超硬材料方面氮、碳化物是研究热点之一，而镁合金的高强、耐热性低也是制约镁合金发展的主要因素。
　　 本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，采用局域密度近似(LDA)、广义梯度近似(GGA)交换关联能函数，通过搭建晶胞模型，对5d过渡金属TM(Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au)的二氮化物以及由其组成的镁基固溶体的结构稳定性、电子结构、力学性能等进行了原子层次的理论研究。
　　 本论文主要包括以下六方面内容：第一章简述了5d 过渡金属、超硬材料及镁合金的特性及应用。第二章介绍了密度泛函理论的发展过程，以及计算所用软件。第三章对5d过渡金属的力学参数进行了计算和讨论，得出结论：过渡金属Os具有最高的体弹性模量、剪切模量和杨氏模量，最低的泊松比。第四章对具有WN2、TiO2和CoTe2等3种结构的5d 过渡金属二氮化物的电子结构、力学性能和态密度等进行了计算和讨论，发现：(1)HfN2、OsN2、IrN2、PtN2的CoTe2型结构较为稳定；WN2和ReN2的TiO2型结构较为稳定。(2)态密度的结果显示，TMN2费米能级处的贡献主要来自于TM的5d轨道和N的2p轨道，并且二者在成键态部分发生强烈的杂化现象，形成较强的共价键。第五章对5d过渡金属固溶于镁合金后的电子结构和态密度等进行了计算和讨论，分析认为：(1)Os、Re、W与镁金属的结合能力强，有可能做为耐热镁基合金固溶强化的合金元素；(2)Mg53Os、Mg53Re、Mg53W态密度的分析表明，费米能级处的贡献主要来自于TM的5d 轨道和Mg的3s、2p轨道，并且三者在成键态部分发生强烈的杂化现象，形成较强的共价键。
　　 第六章为结论与展望。