超硬材料IrN2和BC5力學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算.pdf

1、隨著材料科學(xué)的發(fā)展,超硬材料的研究已經(jīng)成為當(dāng)前熱點(diǎn)之一。超硬材料具有高彈性模量和硬度,有較好的熱傳導(dǎo)性、抗劃性、表面耐久力和穩(wěn)定性等優(yōu)異的性質(zhì),因而在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前研究超硬材料的方法有二:過(guò)渡金屬的C、B、N、O共價(jià)化合物;由C、B、N、O等輕元素組成的強(qiáng)共價(jià)鍵作用化合物。通過(guò)這兩種方法以尋求可與金剛石和立方氮化硼相比擬的新型超硬材料。
　　 本文首先采用平面波贗勢(shì)密度泛函理論方法計(jì)算了IrN2白鐵礦相的晶

2、體結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì),同時(shí)分析了該材料的電子結(jié)構(gòu),所得彈性常數(shù)滿(mǎn)足力學(xué)穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn),與其他相關(guān)理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值符合較好。在零壓下計(jì)算所得白鐵礦相IrN2體模量為400GPa,可以間接預(yù)測(cè)白鐵礦相的IrN2是一種超硬結(jié)構(gòu),同時(shí)計(jì)算得到的各向異性參數(shù)說(shuō)明白鐵礦相IrN2在研究壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)各向異性,具有良好的延性和金屬性。
　　 再次,使用同樣的計(jì)算理論對(duì)0～60GPa靜水壓下BC5六角晶系P3m1和四方晶系I-4m2結(jié)構(gòu)的平衡態(tài)晶格常

3、數(shù)、彈性常數(shù)、彈性模量、彈性各向異性以及表征中心力和非中心力的泊松比與Cauchy擾動(dòng)進(jìn)行研究。所得結(jié)果顯示,BC5的兩種結(jié)構(gòu)在高壓下是穩(wěn)定的,以及不可壓縮性隨著壓強(qiáng)的增加而增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)各向異性參數(shù)分析可知,壓力的增加改變了P3m1結(jié)構(gòu)的各向異性,使得其壓縮波各向異性降低,剪切波的各向異性有所增強(qiáng)。通過(guò)對(duì)硬度的模擬計(jì)算,得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致的結(jié)論。在對(duì)平衡結(jié)構(gòu)和硬度的理論研究中無(wú)法對(duì)兩種結(jié)果的不可壓縮性進(jìn)行比較,只有楊氏模量顯示I-4m

4、2結(jié)構(gòu)的不可壓縮性要高于P3m1結(jié)構(gòu)。BC5的泊松比與Cauchy擾動(dòng)隨壓強(qiáng)的變化說(shuō)明原子間相互作用力為非中心力。另外,對(duì)其電子結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了計(jì)算,由計(jì)算結(jié)果可知,BC5存在一個(gè)較寬的帶隙,兩種原子間有較強(qiáng)的共價(jià)雜化,材料的性質(zhì)主要由B的2p1和C的2p2態(tài)電子共同決定。與其他BC化合物有明顯的不同,成為可能在高溫條件下應(yīng)用的潛在的超硬材料。同時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力對(duì)材料的帶隙和費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度幾乎沒(méi)有影響,只引起微小的漂移,可以進(jìn)一步推斷材料在