ZrO2的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)及摻雜的第一性原理研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算材料科學(xué)在當(dāng)今材料研究領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。其中，以基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算最為典型，已被廣泛應(yīng)用于材料的化學(xué)、光學(xué)、力學(xué)和電學(xué)等性質(zhì)的研究。它不僅可以從微觀角度去解釋相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還可以預(yù)測某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果以推動(dòng)實(shí)驗(yàn)的有效前進(jìn)與發(fā)展。
　　氧化鋯（ZrO2）陶瓷材料憑借著自身耐高溫、耐腐蝕、質(zhì)地輕、生物相容性好和力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，成為一種應(yīng)用非常廣泛的陶瓷材料。此外，ZrO2晶體從四方相轉(zhuǎn)

2、變?yōu)閱涡毕嗟鸟R氏體相變(t→m)過程使其廣泛應(yīng)用于陶瓷材料的增韌，最成功的就是用于氧化鋁（Al2O3）陶瓷材料的增韌，制備出氧化鋁氧化鋯復(fù)合陶瓷(ZTA)材料。
　　本論文就是從研究ZrO2晶體自身的力學(xué)性質(zhì)、熱力學(xué)性質(zhì)、二級(jí)相變歷程以及四方相ZrO2的摻雜增韌來展開研究的。主要工作可分為三部分:
　　1、利用第一性原理計(jì)算方法結(jié)合VRH近似以及德拜模型(Debyemodel)研究了ZrO2晶體五種晶型:P21/c、 P42

3、/nmc、Fm3m、Pbca和Pnma在基態(tài)下的結(jié)構(gòu)參數(shù)、力學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)。結(jié)果顯示，因?yàn)榫筒煌?，ZrO2的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)也互相存在差異。其中Fm(3)m-ZrO2體積模量最大，Pbca-ZrO2硬度最大，P42/nmc-ZrO2彈性模量最小;根據(jù)德拜溫度的大小，五種晶體內(nèi)部各原子彼此結(jié)合作用強(qiáng)弱的順序:Fm(3)m＞Pbca＞P21/c＞Pnma＞P42/nmc。運(yùn)用差分電荷密度圖分析了導(dǎo)致不同晶型ZrO2力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)不同

4、的原因，即電荷的分布不同。
　　2、利用第一性原理計(jì)算方法結(jié)合VRH近似和德拜模型研究了高壓下，ZrO2二級(jí)相變過程(P21/c→Pbca→Pnma)中體系的相態(tài)穩(wěn)定性、力學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)隨著壓力增大的變化情況。二級(jí)相變壓力分別是9.09GPa和12.68GPa，并且各相在相變發(fā)生前都處于力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)。隨著壓力的增大和相變的產(chǎn)生，各相的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)都呈現(xiàn)一定的變化趨勢。
　　3、利用第一性原理計(jì)算方法結(jié)合VRH

5、近似和虛晶近似(VCA)對比研究了過渡金屬元素M(M=Y、Ce、Hf、Ti)摻雜t-ZrO2后MxZr(1-x)O2體系的熱力學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而判斷M的增韌效果。綜合考慮摻雜體系的力學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)，認(rèn)為Hf元素適宜微量摻雜t-ZrO2，Ce元素不適宜單摻雜t-ZrO2;Y元素較Ti更適宜摻雜t-ZrO2，且當(dāng)摻雜量在3～6％mol時(shí)，利于體系的增韌效果的提升。
　　本論文的研究結(jié)果對ZrO2的物理性質(zhì)及其增韌Al2O3陶瓷的