过渡金属氮化物相稳定性与力学性质的第一性原理研究

摘要

过渡金属氮化物(MoN,NbN,TaN)因其优异的高硬度，高熔点，高化学稳定性，耐磨损，耐腐蚀等性能一直成为研究者们关注的焦点。在工业领域，过渡金属氮化物多用作切削工具，超耐磨材料，热障涂层等，但因其抗氧化性差阻碍了它们的广泛应用。实验发现在过渡金属氮化物中掺杂Al元素可提高材料的抗氧化性能，而且掺杂Al元素的含量对体系的晶体结构，力学性能等有很大的影响。因此研究Al掺杂对过渡金属氮化物相稳定性和力学性质的影响对于这类材料的应用发展有着非常重要的意义。　　本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法首先优化Mo1-xAlxN,Nb1-xAlxN,Ta1-xAlxN(x=0,0.25,0.50,0.75,1.0)在四种结构(B1，B4，WC，NiAs)下的结构参数。在此基础上,通过计算形成焓来判定TM1-xAlxN(TM=Mo,Nb,Ta)化合物各相的稳定性。通过计算体系在各掺杂浓度下最稳定相的弹性模量，各向异性及硬度来分析各物理量在整个区间内的变化趋势。通过G/B与泊松比的值来判断体系的脆塑性并阐述其与硬度的关系。最后通过对MoAlN，NbAlN和TaAlN化合物电子结构的研究，分析了硬度方面变化趋势的根本原因。　　研究结果表明，随着Al元素的掺杂，Mo1-xAlxN,Nb1-xAlxN,Ta1-xAlxN化合物均发生两次相变。Mo1-xAlxN体系在Al元素掺杂的浓度达到0.436时从WC相转变为NiAs相；在Al元素浓度超过0.577后又转变为B4结构。Nb1-xAlxN和Ta1-xAlxN分别在Al元素达到0.469和0.5时发生相变从WC相转变为混合相，而当Al含量超过0.6后，它们的最稳定结构又转变为B4结构。力学性质方面，主要通过弹性模量的计算得到材料关于硬度以及成键方面的信息。随Al元素的掺杂，Mo1-xAlxN材料的硬度呈先上升达到最大值后下降的趋势，这种变化趋势与材料的结构有很大的关系。Nb1-xAlxN和Ta1-xAlxN的硬度随Al含量的增加呈现先下降后上升的趋势。通过G/B与泊松比的计算表明材料硬度的变化与其材料的共价键方向性及金属键的强弱有一定的关系。最后通过电子态密度的计算，对各原子的轨道杂化情况，费米能级附近电子填充情况进行了讨论并结合相稳定性与硬度变化趋势，得到了材料在结构稳定性以及硬度方面变化的微观机制。差分电荷密度的计算进一步分析了材料的成键情况与态密度计算得到的结果一致。

目录

1 绪 论

1.1 前言

1.2 过渡金属氮化物的研究背景

1.3 本文的主要研究内容及意义

2 TMN相稳定性及力学性质(TM=Mo, Nb, Ta)

2.1 引言

2.2 计算方法及细节

2.3 相稳定性

2.4 力学性质

2.5 本章小结

3 电子结构分析

3.1 态密度

3.2 差分电荷密度

3.3 本章小结

4 结论与展望

4.1 本文主要结论

4.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文

B. 作者在攻读硕士学位期间获得的奖励

C. 作者在攻读硕士期间参加的学术会议