过渡金属原子固溶在CeO_2中结构与力学性能研究

摘要

为考察CeO_2及其固溶过渡金属原子后的力学特性,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算了过渡金属(Ti族:Ti、Zr、Hf,V族:V、Nb、Ta)单原子置换固溶在CeO_2中的结构,进而计算CeO_2及其固溶结构的力学特性。计算结果表明,固溶后CeO_2体系力学常数(B、G、E、C11、C12)均有所增加,其中固溶Nb原子后力学性能提高比较明显。但固溶Ti、V原子后C44出现明显下降的现象。Nb原子固溶体的弹性模量明显增大,且各向异性与CeO_2相似无明显差异。较Ti、V、Ta原子在CeO_2中的置换固溶结构的弹性模量各向异性明显不同,Nb、Zr、Hf原子在CeO_2中置换固溶结构的弹性模量各向异性并不突出。通过计算CeO_2的能带和态密度,CeO_2表现非金属性,且能带结构中存在两条带隙。