鋯合金電子結(jié)構(gòu)與物性關(guān)聯(lián)的第一性原理研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)聯(lián)在材料科學(xué)中的地位舉足輕重。只有充分掌握了材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)信息，以目標性質(zhì)為導(dǎo)向快速高效地設(shè)計開發(fā)新材料才有可能，否則便只能停留在高成本高周期的炒菜試錯階段。材料的宏觀性能與其微觀電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對于鋯合金，如何在電子尺度認識理解其一系列不同于其他合金體系的本征特性，建立其微觀電子結(jié)構(gòu)和宏觀特性之間的關(guān)系，對于自下而上地設(shè)計與開發(fā)新型鋯合金具有重要的理論與現(xiàn)實意義。結(jié)合文獻調(diào)研和自己的研究工作，我們認識到在純鋯和許

2、多鋯合金中存在著一種特殊的贗原子現(xiàn)象，這種特殊的電子結(jié)構(gòu)極有可能是鋯基材料各種宏觀特性的內(nèi)在物理根源。本文基于密度泛函理論和Bader的電子密度拓撲分析方法，探討了贗原子這一特殊電子結(jié)構(gòu)在鋯及其金屬間化合物中的存在性及存在機制，并初步建立了其與鋯合金一些宏觀物性之間的關(guān)系。
　　首先探討對比了純鋯三個常見相的電子密度拓撲性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)隨著鋯四面體結(jié)構(gòu)畸變程度的增大，Zr原子間的相互作用由α相中的贗原子變?yōu)棣叵嘀械摹跋憬舵I”再變?yōu)棣孪嘀?/p>

3、常見的直線型鍵。在不同的密排六方金屬中，隨著元素電負性的降低，體系的贗原子特性越來越強。因此，贗原子的出現(xiàn)是由晶體結(jié)構(gòu)和組成元素的電負性共同決定的。鋯合金中特殊的贗原子結(jié)構(gòu)可能會導(dǎo)致其具有特別的力學(xué)行為，如彈性各向異性、位錯芯結(jié)構(gòu)、位錯滑移等。
　　對ω-Zr和有序ω相Zr2Al的對比研究表明，Al對Zr的有序取代未能產(chǎn)生贗原子，二者中均具有Zr-Zr香蕉鍵。但是，這兩相的彈性性質(zhì)差異很大，Zr2Al具有更高的彈性模量和硬度以及更

4、低的彈性各向異性。電子密度拓撲分析表明，Al對Zr的有序取代顯著增大了對應(yīng)化學(xué)鍵的方向性和鍵臨界點處的電子密度，并且降低了鍵的各向異性。由于ω相在很多鋯合金中都具有重要作用，這些結(jié)果對調(diào)控ω相的基本力學(xué)性質(zhì)進而調(diào)控相關(guān)鋯合金的性能具有指導(dǎo)意義。
　　在金屬間化合物Zr2Cu的四方相中也發(fā)現(xiàn)了贗原子，并且在高壓下其贗原子結(jié)構(gòu)會發(fā)生塌陷，發(fā)生電子密度拓撲轉(zhuǎn)變，進而導(dǎo)致Zr2Cu晶體發(fā)生等結(jié)構(gòu)相變。由于這個相變同時具有傳統(tǒng)的等結(jié)構(gòu)相變和

5、結(jié)構(gòu)相變的特征，因此我們提出一種新的相變類型叫做準結(jié)構(gòu)相變。
　　對Zr2Cu的三個競爭相的研究發(fā)現(xiàn)，隨著Zr原子堆積偏離四面體程度的增大，Zr原子間的成鍵形式由贗原子鍵(C11b相)轉(zhuǎn)變?yōu)镃16相的二分叉鍵（香蕉鍵）再轉(zhuǎn)變成E93相中鋯八面體的直線型鍵。這對鋯基非晶具有一定的隱含意義。在Zr基非晶中存在著許多畸變程度不同的Zr四面體結(jié)構(gòu)，它們極有可能具有這三種不同的電子結(jié)構(gòu)，這將會對Zr基非晶的物化性質(zhì)具有決定性的作用。