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掺杂对新型超硬材料强度影响的第一性原理研究

作　者: 梁富宏
导　师: 徐长山
学　校: 东北师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: W-BN 密度泛函第一性原理体弹模量双向应力
分类号: O469
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 17次
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内容摘要

现代科学技术的迅速发展,对材料的性能提出了愈来愈苛刻的要求。在材料的诸多性能指标中,硬度是一个最基本、最重要的指标之一。超硬材料作为一种重要的功能材料,已被广泛应用到国防、机械制造、航空航天、地质勘探以及其它尖端科学领域。超硬材料的合成及其性质的研究,一直是凝聚态物理和材料科学研究的重点之一。一直以来,人们都认为金刚石是世界上硬度最高的物质,但是在2009年2月底,上海交通大学孙弘教授等发现可由人工合成的纤锌矿型氮化硼(Wurtzite Structure Boron Nitride,简称W-BN)和朗斯代尔石(Lonsdaleite)的硬度比金刚石还高。这两种物质由不同种元素组成,但都属于六角晶系;其抗压力来自于有弹性的原子价键,在受压力时有些键会转向成90度。本文研究了在纤锌矿结构氮化硼体系中掺杂C、N、Si、O等元素对材料强度的影响。研究中计及了硬度实验中压头下的双向压力(垂直和切向压力)对其硬度的影响,尤其是垂直压力的影响。正是这个正向的压力加强了连接切变面的弱原子键,极大地增强了切变强度。外加压力时,在比较小的外力下,应变不是很明显,只是一个小角度的倾斜,但是当外力达到一定值后强度随之下降,但在外力继续增加到一定程度时,在应力和掺杂的双重诱导下,结构出现了大的转变——化学键发生了反转,强度发生急剧增加。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-8
第一章引言  8-17
  1.1 超硬材料简介  8-11
    1.1.1 超硬材料的定义  8-9
    1.1.2 超硬材料的发展  9-10
    1.1.3 超硬材料的前景  10-11
  1.2 计算材料学简介  11-12
    1.2.1 计算材料学特点  11
    1.2.2 材料计算方法  11-12
    1.2.3 材料计算发展  12
    1.2.4 材料计算工具  12
  1.3 碳、氮、硼的结构及性质  12-17
    1.3.1 碳元素  12-13
    1.3.2 硼元素  13
    1.3.3 氮元素  13-14
    1.3.4 氮化硼  14-17
第二章密度泛函理论  17-23
  2.1 密度泛函理论  17-19
    2.1.1 Tomas-Fermi 模型  17-18
    2.1.2 Hohenberg-Kohn 定理  18
    2.1.3 Kohn-Sham 方程  18-19
  2.2 交换关联能  19-20
    2.2.1 局域密度近似（Local Density Approximation LDA）  20
    2.2.2 广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation GGA）  20
  2.3 赝势方法  20-23
第三章单向应力对W-BN 晶体结构影响  23-27
  3.1 W-BN 结构简介  23
  3.2 计算模型和方法  23-24
  3.3 W-BN 电子结构的计算  24-25
  3.4 单向剪切力对本征材料硬度的影响  25-26
  3.5 类石墨层的出现  26-27
第四章双向应力对W-BN 硬度的影响  27-30
第五章双向应力下掺杂对W-BN 硬度的影响  30-36
  5.1 计算模型和方法  30
  5.2 双向应力下N 掺杂W-BN  30-31
  5.3 双向应力作用下O 掺杂W-BN  31
  5.4 双向应力作用下Si 掺杂W-BN  31-32
  5.5 双向应力作用下 Si 掺杂 W-BN  32
  5.6 实验数据分析  32-36
总结  36-37
参考文献  37-39
致谢  39

掺杂对新型超硬材料强度影响的第一性原理研究

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