钍氢及钍砷二元体系高温高压性质的第一性原理研究

摘要

钍(Th)基材料具有良好的导热性能，并且安全性高，是核反应堆中很有前景的核材料，受到核科学家的广泛关注。本工作采用基于密度泛函(DFT)理论的第一性原理计算方法，研究了钍氢合金的晶体结构、力学性质和热力学性质;此外，计算了ZhAs的结构、高压相变行为、力学性质、声子谱和热力学性质，为今后核工业中钍基合金的研究和应用提供了理论数据。主要结论如下:
　　一、从E-V曲线中，我们得到在常温常压下，bct ThH2比fcc ThH2的结构更稳定。在高压下，我们通过弹性常数的计算结果分析以及泊松比的分析得到bct ThH2和bcc Th4H15两种稳定的结构在高压下比常温下更脆。我们通过声子色散曲线讨论了三种钍氢合金的热力学稳定性，结果发现bct ThH2和bcc Th4H15两种相在高压下的声子色散曲线没有虚频，表明是热力学稳定的。而fcc ThH2的声子谱出现虚频，并且在高压下一直有虚频出现，表明fcc ThH2是热力学不稳定的。随后，我们计算了两种稳定结构bct ZhH2和bcc Th4H15的热力学性质。结果表明，随着温度升高，bct ZhH2和bcc Th4H15振动自由能显著减小;当压强增加时，曲线向上移动。熵、热容正比与温度，与压强成反比。钍氢合金的体弹模量随着压强的增加而增加，表明钍氢合金在在对抗外部压力的能力在增强。
　　二、我们采用第一性原理的计算方法，研究了ThAs的高压相变行为，高压力学性质及高温高压热力学性质。结果表明，ThAs在高压下B1结构向B2结构发生相变的压强为17.1 GPa，这与Gerward等人在X射线衍射实验中观察到的结果17-26 GPa相一致。由于B1结构在高压下不稳定，我们对B2相ThAs的高压力学性质做了研究，结果表明，随着压强增加，B2相ThAs体弹模量逐渐增加，而泊松比逐渐减小。表明ThAs合金在高压下显的更硬，材料脆性比较显著。为了进一步研究结构的稳定性，我们从热力学上对ThAs两种结构的稳定性做了研究，结果表明在基态下两种结构都是热力学稳定的，而当压强达到20 GPa时，B1结构的ThAs出现了虚频，解释了B1结构的动力学不稳定性。B2结构在压强低于50 GPa一直是热力学稳定的。最后，我们讨论了B2相的高压力学性质和热力学性质。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 核燃料简介

1．1．1 钍基合金的的简介和应用

1．1．2 钍氢合金的研究现状和意义

1．1．3 钍砷合金的研究现状和意义

1．2 高温高压研究的意义

1．3 本论文的主要工作

第二章 第一性原理计算方法介绍

2．1 相关理论介绍

2．1．1 引言

2．1．2 多体系统和绝热近似

2．1．3 Hatree-Fock近似

2．1．4 密度泛函理论

2．2 力学性质计算方法介绍

2．2．1 相关计算理论

2．2．2 晶体弹性常数的计算方法

2．3 声子及热力学性质计算方法

2．3．1 声子

2．3．2 热力学性质的计算

2．4 第一性原理计算软件和计算流程

2．4．1 VASP软件包简介

2．4．2 PHONOPY软件介绍

第三章 钍氢合金的第一性原理计算

3．1 引言

3．2 模型和计算细节

3．3 计算结果讨论

3．3．1 钍氢合金的晶体结构

3．3．2 钍氢合金高压弹性性质

3．3．3 钍氢合金的声子色散曲线及热力学性质

3．3．4 钍氢合金的超导转变温度

3．4 本章小结

第四章 钍砷二元化合物的理论研究

4．1 引言

4．2 模型和计算细节

4．3 计算结果讨论

4．3．1 ThAs的基态结构和高压相变

4．3．2 ThAs的高压力学性质

4．3．3 ThAs的声子及热力学性质

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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