锆合金和新型陶瓷材料结构与性能的理论研究

摘要

目前空间飞行器关键构件所用的钢铁材料在复杂苛刻的空间环境下难以满足长期服役的技术要求，需要发展高强韧化、轻量化等综合性能更加优异的新材料体系。研究表明锆合金在未来航天器关键活动构件具有重大的潜在应用价值，而理论开展锆合金研究可以缩短实验研究周期，为材料改性提供理论支持。此外，实验上合成了由过渡金属、IIIA或IVA以及C或N元素组成的新型层状材料，这类材料兼有金属和陶瓷的诸多优点，这与组元、晶体和微观结构紧密相关，深入研究这类材料结构与性能之间的关系是一项重要课题。尤其是这类陶瓷材料内禀脆性大大限制了其应用，而脆性的物理机制存在较大的争议，同时该类材料在拉伸和剪切应力下的结构稳定性，以及相应的强度是待解决的问题。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了掺杂轻质元素对CuZr和TiZr的拉伸强度和微观结构的影响，探讨掺杂轻质元素对其拉伸强度的影响机理；研究了几类典型陶瓷材料的结构、电子结构以及外界施加的拉伸和剪切应力下的结构稳定性。主要研究结果如下：
　　1、研究了掺杂轻质元素CuZr和TiZr的微观结构和拉伸强度，得到了沿不同晶向的拉伸强度与掺杂成份和浓度的关系，利用化学键在拉伸应力下的稳定性探讨了其结构稳定性的微观机制，基于Mulliken布局数分析了造成不同体系沿不同晶向的拉伸强度差异的物理机制。计算结果表明低浓度的掺杂导致了相邻晶面Ti（或Cu）和Zr之间共价键的减弱，不存在使得掺杂体系各原子之间化学键的整体增强，从而实验发现低浓度掺杂导致CuZr和TiZr拉伸强度增强的机制是由于Hall-Petch效应。
　　2、鉴于AuAl2在航天飞行器的太阳能吸收器上的潜在应用，研究了其高压结构稳定性。理论上预测了实验上没有确定的高压结构以及结构参数，计算得到了AuAl2的拉伸应力－应变关系，并与Au和Al金属进行了比较。
　　3、研究了M2SC(M=Ti,Zr,Hf)在拉伸和剪切应变下的行为、以及其结构稳定性的微观机制。得到了M2SC在拉伸和剪切应变下的应力－应变关系，并与相对应的二元化合物MC进行了比较。利用电子结构计算分析了M2 SC在拉伸和剪切应变下结构稳定性微观机制。理论预测了M2SC具有较高的脆性，这种脆性来源于较大的滑移面的位错，而引起位错的力可以通过Peierls应力计算来量化。
　　4、研究了Cr2AlX(X=N,C)的结构稳定性、成键和弹性性质。得到了0–100 GPa压力范围内Cr2AlX的弹性常数，电荷密度分布和态密度表明Cr2AlX存在较弱的Cr–Al键和相对较强的Cr–X共价键。理论预测了Cr2AlC具有较高的脆性而Cr2 AlN具有较高的韧性。最后，通过声速的平均值计算得到了Cr2 AlX的德拜温度。

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第一章 绪论

1.1 锆合金的研究现状以及国内外的发展动态

1.2 新型陶瓷材料的国内外的研究现状

1.3 论文选题的目的与意义

第二章 第一原理计算方法

2.1 多电子体系中的三个近似处理方法

2.2 密度泛函理论

2.3 交换关联能泛函

2.4 Bloch定理

2.5 平面波赝势方法

2.6 结构弛豫

第三章 B或Al掺杂对CuZr拉伸强度影响研究

3.1 引言

3.2 计算方法和参数

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 Ti–Zr–X(X=B,Al,Ga,V)拉伸强度的第一原理研究

4.1 引言

4.2 计算方法和参数

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 AuAl2高压结构相变和力学稳定性的第一原理研究

5.1 引言

5.2 计算方法以及参数

5.3 结果与讨论

5.4 本章小节

第六章 M2SC(M=Ti,Zr,Hf)的力学稳定性和理想强度的研究

6.1 引言

6.2 计算方法及其参数

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第七章 Cr2AlX(X=N,C)的结构和弹性性质的第一原理研究

7.1 引言

7.2 计算方法与参数

7.3 结果与讨论

7.4 本章小结

第八章 总结与展望

参考文献

致谢

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