第一性原理研究压力对Ni3X(X=Pt,Mo,V,Sn)力学性能、电子结构和热学性能的影响

摘要

金属间化合物具有比重小、抗高温、耐氧化等优点，是一种极具潜力的高温结构材料，在航空航天、汽车、化工等领域具有很好的应用前景。但因为室温塑性差、断裂韧性低等缺点，金属间化合物材料的实际应用受到限制，因此对金属间化合物展开室温塑性改善、脆性本质或固有性能等方面的研究具有十分重要的意义。因此，本文对四种常见的金属间化合物Ni3Pt、Ni3Mo、Ni3V和Ni3Sn进行了研究。
　　本文以金属间化合物Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)为研究对象，采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，运用量子力学原理，利用CASTEP程序包，并结合准谐德拜模型，通过计算压力作用下的晶格常数、晶胞体积、弹性常数、弹性模量、泊松比、态密度、布居分析、热膨胀系数、热容和德拜温度，研究压力（0～30 GPa）对Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)力学性能、电子结构和热学性能的影响，结果如下：
　　采用GGA-PBE近似方法计算的结果比LDA-CA-PZ近似方法计算的结果更加接近其他研究结果，因此本文采用GGA-PBE近似方法进行计算；计算所得的零压力下Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的平衡晶格常数与实验值和其他理论值十分吻合，说明本文的计算方法是可行的，计算结果是可靠的；在0~30 GPa压力范围内，Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的晶胞体积随着压力的增大而不断减小。
　　在零压力下，Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的弹性常数均满足各自对应的弹性稳定性准则，说明它们均是力学稳定的；在0~30 GPa压力范围内：Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的体积模量B、剪切模量G、杨氏模量E均随压力的增大而增大，说明压力可以提高Ni3X的硬度；Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的B/G均大于1.75，说明它们都是延性的，Ni3X(X=Pt, V, Sn)的B/G和泊松比ν均随着压力的增大而增大，说明压力可以改善Ni3X(X=Pt, V, Sn)的延性和塑性，Ni3Mo的B/G和泊松比ν均随着压力的增大先增大后减小，说明适当的压力可以改善Ni3Mo的延性和塑性，但是过大的压力反而会降低Ni3Mo的延性和塑性；Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的各向异性随着压力的增大而增强。
　　分析了Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的DOS，研究了Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的成键电子分布。在0~30 GPa压力范围内，DOS曲线未发生突变，说明在所选压力范围内Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的结构保持稳定，没有发生结构相变；费米能级处的态密度值N(EF)均随着压力的增大而减小，表明Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的硬度提高；此外，分析了Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)中的电荷转移和成键情况。
　　最后，分析了Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)在0~30 GPa和0~1000 K的热学性能：Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的晶胞体积V、热膨胀系数α和热容C均随着压力的增大而减小，随温度的升高而增大；Ni3X(X=Pt, Mo, V, Sn)的体积模量B和德拜温度ΘD均随着压力的增大而增大，随温度的升高而减小。

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英文摘要

目录

1 绪论

1.1 选题背景

1.2 本课题研究主要内容

1.3 课题研究的意义

2 第一性原理计算理论基础

2.1 密度泛函理论

2.2 近似方法

2.3 交换关联能泛函近似

2.4 平面波

2.5 赝势

2.6 计算软件简介

3 第一性原理研究压力对Ni3Pt力学性能、电子结构和热学性能的影

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 第一性原理研究压力对Ni3X(X=Mo, V, Sn)力学性能、电子结构和

4.1 引言

4.2 模型和计算方法

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢