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新型过渡金属碳化物（Re_2C、RuC和IrC）的实验合成与理论研究

作　者: 王猛
导　师: 田永君
学　校: 燕山大学
专　业: 材料学
关键词: 高温高压 第一性原理计算 硬度 晶体结构 Re2C RuC IrC
分类号: TF123.31
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本论文综述了新型超不可压缩性的硬质块材Re2C的合成与性能表征、新型半导体的超硬材料RuC的第一性原理计算以及关于一种具有导电、高硬度、良好韧性三重特性的新型IrC材料的理论预言。在较温和的条件下（压力:1～6 GPa,温度:873～1873 K）,我们合成了一种新型亚稳的碳化物Re2C。通过碳含量分析、第一性原理计算和拉曼技术,最终确定了它的结构为ReB2型Re2C;实验与理论结果表明它是一种超不可压缩性的材料,其不可压缩性可以和金刚石相媲美;硬度测试的结果表明它的渐近线的硬度值为17.5 GPa。另外,还标定了这种化合物的P-T相图,为它的进一步应用做好了铺垫。实验上,Sanjay Kumar等人合成了一种新型的立方碳化钌,最初确定其是NaCl型RuC。通过第一性原理计算,我们发现计算的NaCl型RuC的晶格参数与实验值相差很大,并且这种结构是动力学不稳定的。这就意味着最初确定的结构是值得怀疑的。通过比较10种结构的RuC,我们发现闪锌矿结构的RuC（ZB-RuC）不仅具有最低的能量、与实验相一致的晶格参数,还是机械和动力学稳定的。从能带和态密度上可以看出,ZB-RuC具有半导体性质;通过半经验的硬度公式计算得到它的硬度值为42.8 GPa,表明它是一种超硬材料;高的B/G比（3.95）说明它还是韧性很好的材料。采用第一性原理计算,我们研究了9种结构的IrC,在这9种构型中,ZB-IrC具有最低的能量,且该结构又满足机械稳定性和动力学稳定性,是一种很有可能合成的材料。从态密度图中,可以看出ZB-IrC是导电的。利用半经验的硬度公式,估算ZB-IrC的维氏硬度值为17.5 GPa,是一种硬质材料。ZB-IrC具有高的弹性模量B和低的剪切模量G,B/G比率为4.95,表明ZB-IrC不但具有很高的硬度,而且还具有很好的韧性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-17
  1.1 新型超硬的轻元素化合物  9-10
  1.2 新型超硬的过渡金属轻元素化合物  10-13
  1.3 过渡金属碳化物的特性  13-15
    1.3.1 结构性质  13-14
    1.3.2 电子性质  14
    1.3.3 物理化学性质  14-15
    1.3.4 碳化物的主要用途  15
  1.4 本论文的目的、意义及主要内容  15-17
第2章 计算方法与实验方法  17-25
  2.1 计算方法  17-20
    2.1.1 密度泛函理论方法  17-19
    2.1.2 赝势法  19-20
    2.1.3 CASTEP 程序包  20
  2.2 实验方法  20-23
  2.3 本章小结  23-25
第3章 Re_2C 的实验合成及性能测试  25-37
  3.1 引言  25-26
  3.2 实验分析方法  26
  3.3 Re_2C 的高温高压合成  26-27
  3.4 实验结果与分析  27-32
    3.4.1 Re_2C 晶体成分的确定  28-29
    3.4.2 晶体结构的确定  29-30
    3.4.3 拉曼分析  30-31
    3.4.4 Re_2C 的超不可压缩性  31-32
  3.5 材料性能测试  32-35
    3.5.1 Re_2C 的硬度测试  32-33
    3.5.2 Re_2C 的高温氧化性  33-35
  3.6 Re_2C 的P-T 相图  35-36
  3.7 本章小结  36-37
第4章 RuC 理论预测及结果分析  37-49
  4.1 引言  37-38
  4.2 理论计算模型的选择  38-42
    4.2.1 立方结构  38-40
    4.2.2 六方结构  40-41
    4.2.3 正交结构  41-42
  4.3 结构优化设置  42
  4.4 计算结果与分析  42-46
    4.4.1 结构优化结果  42-43
    4.4.2 机械稳定性的判定  43-45
    4.4.3 动力学稳定性判定  45
    4.4.4 ZB-RuC 的电子性质  45-46
  4.5 硬度的计算  46-48
  4.6 本章小结  48-49
第5章 IrC 理论预测与结果分析  49-56
  5.1 引言  49-50
  5.2 理论计算与结果分析  50-54
    5.2.1 优化结果分析  50-51
    5.2.2 机械稳定性判定  51-53
    5.2.3 动力学稳定性判定  53
    5.2.4 ZB-IrC 电子结构分析  53-54
  5.3 硬度的计算  54-55
  5.4 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-62
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  62-63
致谢  63-64
作者简介  64

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中图分类: > 工业技术 > 冶金工业 > 冶金技术 > 粉末冶金（金属陶瓷工艺） > 粉末的制造方法 > 难熔化合物粉末的制造方法 > 碳化物
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