铁磁型阻尼合金磁性及阻尼性能的第一性原理研究

摘要

铁磁型阻尼合金凭借其高阻尼、抗腐蚀性和宽工作温度范围等优势，在现代工业领域被广泛应用。其中，Fe-Cr-Al系合金在力学性能及耐腐蚀方面表现尤为突出，是目前最具有研究价值及应用价值的铁磁型阻尼合金。但从近年来的研究成果来看，Fe-Cr-Al系列合金研究思路均为先实验后分析，鲜有从头理论计算的实验结果。因此本文借助最新的材料科学计算软件 WIEN2K，通过模拟计算实现了对铁磁型阻尼合金的磁学性质研究并分析其与阻尼性能的相互关系。
　　本文首先简述了阻尼合金的基本性质和研究现状，随后从第一性原理的基本思想出发，利用密度泛函理论阐明了理论计算的基本依据，并介绍WIEN2K软件的基本流程；其次从理论上推导了影响阻尼性能的主要因素，研究发现铁磁型阻尼合金的阻尼性能强弱和磁晶各向异性能与原胞总磁矩的比值呈负相关；随后通过实验结果证明了以上结论。然后以第一性原理为基础，采用密度泛函理论的方法，运用WIEN2K软件对掺杂后Fe2CrAl合金的磁性参数进行计算。经过对磁性参数的分析，发现Er、Pm、Si以及Tb元素替代Fe元素后依次提高了Fe2CrAl合金的阻尼性能。
　　本文在得到有效提高Fe2CrAl合金的阻尼性能的元素后，深入研究了阻尼性能最佳的FeCrAlSi和FeCrAlTb合金的内在机理。研究发现掺入Si后合金的阻尼性能得到提高的原因是，Si-p轨道分别与Fe-deg、Cr-deg、Cr-dt2g轨道发生杂化，间接影响了Fe原子和 Cr原子之间强烈的d-d轨道杂化作用，使得 Fe原子和Cr原子费米能级处的反成键态密度移向低能区且产生两个杂化峰；掺入Tb后，合金引入了高态密度、高局域性的Tb-f轨道，增加了费米能级下自旋向上的总态密度，此外，Tb-f轨道和Fe-d、Cr-d轨道发生杂化，使Fe原子和Cr原子的态密度分布变得较为离散，这影响了Fe-deg、Fe-dt2g和 Cr-dt2g轨道之间的共价杂化作用，这些态密度和轨道杂化的变化导致了阻尼性能的变化。最后，通过采用改变原胞中原子占位的方法进一步提高了FeCrAlSi和FeCrAlTb合金的阻尼性能。
　　本文通过理论推导和实验验证得到的磁性与阻尼性能的关系，可以为往后铁磁型阻尼合金的研究起到指导作用。此外，与传统实验方法相比，采用理论计算探索高阻尼的铁磁型阻尼合金可节省大量时间和实验成本。

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第一章 绪 论

1.1阻尼合金特性及研究意义

1.2铁磁型阻尼合金研究现状

1.3 本论文的结构安排

第二章 理论基础与计算方法

2.1 第一性原理

2.2 密度泛函理论

2.3 基于软件包WIEN2K的计算流程

2.4 本章小结

第三章 Fe-Cr-Al系列合金阻尼性能的理论分析

3.1铁磁型阻尼合金的产生机制

3.2铁磁型阻尼合金阻尼性能与磁性的联系

3.3 Fe-Cr-Al系列合金的理论阻尼性能

3.4 本章小结

第四章 FeCrAlSi和FeCrAlTb合金的阻尼性能研究

4.1 Fe2CrAl内部结构剖析

4.2 FeCrAlSi的阻尼机理

4.3 FeCrAlTb的阻尼机理

4.4不同类型FeCrAlSi合金的阻尼性能

4.5 不同类型FeCrAlTb合金的阻尼性能

4.6 本章小结

第五章 结论与展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果