Ta_(1–x)Hf_(x)C和Ta_(1–x)Zr_(x)C固溶体的结构稳定性和力学性质的第一性原理研究

摘要

随着航空航天领域的飞速发展,极端的环境要求超高温陶瓷材料具有更好的力学性能和超高熔点.目前,单金属碳化物的超高温陶瓷材料承受的压力日渐增大.为了解决过渡金属单碳化物性能不足的问题,我们基于密度泛函理论系统地研究了Ta_(1–x)Hf_(x)C和Ta_(1–x)Zr_(x)C (0≤x≤1)固溶体的物理性质.通过调节Hf和Zr的浓度来研究它们的结构稳定性、晶格参数、力学性能、熔点和电子结构.我们的计算结果表明碳化物固溶体的稳定性随Hf/Zr含量的增加而增加,并且当Hf/Zr含量相同时, Ta_(1–x)Zr_(x)C比Ta_(1–x)Hf_(x)C的结构更稳定.我们还发现随着Hf/Zr含量的增加,固溶体的晶格常数和体积会膨胀. Ta_(1–x)Hf_(x)C和Ta_(1–x)Zr_(x)C固溶体的体积模量随着Hf/Zr含量的增加而减小,而固溶体的熔点、杨氏模量、剪切模量、维氏硬度和断裂韧性在掺杂含量x=0.2处会出现峰值.而且,添加Hf和Zr可以提高TaC的耐磨性.电子态密度结果显示随着Hf/Zr含量的增加,固溶体费米能级处的态密度值逐渐降低,这表明固溶体的结构稳定性逐渐增强.