過渡金屬氮化物相穩(wěn)定性與力學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、過渡金屬氮化物(MoN,NbN,TaN)因其優(yōu)異的高硬度，高熔點(diǎn)，高化學(xué)穩(wěn)定性，耐磨損，耐腐蝕等性能一直成為研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。在工業(yè)領(lǐng)域，過渡金屬氮化物多用作切削工具，超耐磨材料，熱障涂層等，但因其抗氧化性差阻礙了它們的廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在過渡金屬氮化物中摻雜Al元素可提高材料的抗氧化性能，而且摻雜Al元素的含量對(duì)體系的晶體結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能等有很大的影響。因此研究Al摻雜對(duì)過渡金屬氮化物相穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)的影響對(duì)于這類材料的應(yīng)用發(fā)展有著

2、非常重要的意義。
　　本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法首先優(yōu)化Mo1-xAlxN,Nb1-xAlxN,Ta1-xAlxN(x=0,0.25,0.50,0.75,1.0)在四種結(jié)構(gòu)(B1，B4，WC，NiAs)下的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,通過計(jì)算形成焓來判定TM1-xAlxN(TM=Mo,Nb,Ta)化合物各相的穩(wěn)定性。通過計(jì)算體系在各摻雜濃度下最穩(wěn)定相的彈性模量，各向異性及硬度來分析各物理量在整個(gè)區(qū)間內(nèi)的變化趨勢(shì)。通過G/B

3、與泊松比的值來判斷體系的脆塑性并闡述其與硬度的關(guān)系。最后通過對(duì)MoAlN，NbAlN和TaAlN化合物電子結(jié)構(gòu)的研究，分析了硬度方面變化趨勢(shì)的根本原因。
　　研究結(jié)果表明，隨著Al元素的摻雜，Mo1-xAlxN,Nb1-xAlxN,Ta1-xAlxN化合物均發(fā)生兩次相變。Mo1-xAlxN體系在Al元素?fù)诫s的濃度達(dá)到0.436時(shí)從WC相轉(zhuǎn)變?yōu)镹iAs相；在Al元素濃度超過0.577后又轉(zhuǎn)變?yōu)锽4結(jié)構(gòu)。Nb1-xAlxN和Ta1-x

4、AlxN分別在Al元素達(dá)到0.469和0.5時(shí)發(fā)生相變從WC相轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌舷啵?dāng)Al含量超過0.6后，它們的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)又轉(zhuǎn)變?yōu)锽4結(jié)構(gòu)。力學(xué)性質(zhì)方面，主要通過彈性模量的計(jì)算得到材料關(guān)于硬度以及成鍵方面的信息。隨Al元素的摻雜，Mo1-xAlxN材料的硬度呈先上升達(dá)到最大值后下降的趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)與材料的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。Nb1-xAlxN和Ta1-xAlxN的硬度隨Al含量的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。通過G/B與泊松比的計(jì)算表明材料