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新型Me_3AlN三元陶瓷的材料设计

作　者: 钱媛媛
导　师: 韩文波
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 第一性原理 电子结构 弹性性质 热力学性质
分类号: TQ174.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


三元层状化合物作为一类十分重要的新型陶瓷材料一直被材料研究工作者所关注。通式为Men+1AXn（MAX）的这类三元层状化合物的结构相似，其中Me为早期的过渡金属，A表示的是同一族的元素（绝大多的情况为IIIA和IVA族），而X是C或N。我们研究的Me3AlN（Me=Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta）与MAX相具有相似的性能，这类化合物都属于正交晶系，空间群为Cmcm，具有金属的性能，在常温下，有很好的导热性能和导电性能，又有较高的弹性模量和剪切模量，在较高温下具有塑性，又可像金属一样进行机械加工，同时又具有陶瓷的性能，如较高的屈服强度、高熔点、高热稳定性和良好的抗氧化性能。MaterialsStudio是一种比较先进的基于密度泛函理论的第一性原理材料模拟和计算软件。本文采用基于密度泛函理论的赝势平面波方法，交换关联能函数用了局域密度近似和广义梯度近似来描述，通过构造晶胞模型，对Me3AlN（Me=Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta）从基态电子结构性质、力学性能和热力学性能进行了理论计算。主要包括以下几方面：首先，采用基于密度泛函理论的广义梯度近似下的平面波赝势方法，从Me3AlN（Me=Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta）体系进行晶格优化，得到能量最低的稳定结构，获得平衡态时的晶格常数。在几何结构优化的基础上，计算了能带结构和态密度，Mulliken布居分析，并根据计算结果对其导电性和成键类型进行了分析。其次，对三元化合物Me3AlN（Me=Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta）的弹性常数、体变模量、剪切模量、泊松比、拉梅常数等方面的计算，根据计算结果对晶体的稳定性、脆性和各向异性进行了分析。最后，通过准谐德拜模型，并得到了不同温度、不同压强下的体弹模量、热膨胀系数、热容、格林爱森参数和德拜温度的变化关系。根据计算结果对晶体热力学特性进行了分析。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-16
  1.1 三元氮化物国内外研究现状  8-9
    1.1.1 层状三元碳化物或氮化物陶瓷  8-9
    1.1.2 三元氮化物  9
  1.2 三元氮化物陶瓷的应用  9-10
  1.3 研究方法  10-14
    1.3.1 第一性原理方法概述  10-12
    1.3.2 第一性原理的研究进展  12-13
    1.3.3 计算机及应用软件在材料科学研究中的应用  13-14
  1.4 研究目的与内容  14-16
第2章 材料设计的理论方法和CASTEP介绍  16-32
  2.1 密度泛函理论  16-20
    2.1.1 Hohenberg-Kohn定理  17-18
    2.1.2 Kohn-Sham方法  18-20
  2.2 交换相关泛函  20-22
    2.2.1 局域密度近似(LDA)  21
    2.2.2 广义梯度密度近似(GGA)  21-22
  2.3 周期性的超晶格方法  22-24
    2.3.1 Bloch定理  22-23
    2.3.2 k的选取  23-24
    2.3.3 平面波基组  24
  2.4 赝势平面波方法  24-27
    2.4.1 模守恒赝势  25-26
    2.4.2 超软赝势  26-27
  2.5 CASTEP软件简介  27-32
    2.5.1 CASTEP基本原理与方法  27
    2.5.2 CASTEP的应用  27-29
    2.5.3 自洽求解  29-30
    2.5.4 结构优化  30
    2.5.5 快速傅立叶变换（FFT）  30-32
第3章 Me_3AlN电子结构的第一性原理计算  32-43
  3.1 计算方法  32
  3.2 晶格参数优化  32-33
  3.3 电荷密度分布  33-34
  3.4 态密度以及能带结构  34-40
    3.4.1 能带结构  34-36
    3.4.2 态密度分布  36-38
    3.4.3 分波态密度  38-40
  3.5 Mulliken布居分析  40-42
  3.6 本章小结  42-43
第4章 Me_3AlN弹性性质的第一性原理计算  43-52
  4.1 计算方法  43-47
  4.2 计算结果与分析  47-51
    4.2.1 弹性常数  47-48
    4.2.2 弹性常数求弹性模量  48-49
    4.2.3 弹性的各向异性  49-51
  4.3 本章小结  51-52
第5章 Me_3AlN热力学性质的第一性原理计算  52-68
  5.1 计算方法  52-54
  5.2 结果与讨论  54-67
    5.2.1 热力学性质  54-57
    5.2.2 热容和德拜温度  57-65
    5.2.3 吉布斯自由能  65-67
  5.3 本章小结  67-68
结论  68-69
参考文献  69-75
致谢  75

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论
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