Cr2AlC及其固溶體的第一性原理計算.pdf

1、與MAX體系中研究最為廣泛的Ti3SiC2和Ti3AlC2相比，Cr2AlC擁有更優(yōu)異的高溫抗氧化性和耐腐蝕性能，已成為高溫結(jié)構(gòu)件和涂層的優(yōu)選材料。但是相對于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)陶瓷(如Al2O3，SiC)，Cr2AlC的強(qiáng)度有待提高。為了增強(qiáng)Cr2AlC材料的力學(xué)性能，拓寬其工程應(yīng)用范圍，固溶改性被視為一種有效手段。
　　本文利用密度泛函理論的第一性原理軟件包VASP對Cr2AlC及其Cr2AlSiC固溶體的取代位置，固溶度和相關(guān)性能開展

2、計算研究，通過實驗驗證了計算結(jié)果的正確性，為合成相關(guān)固溶體提供理論依據(jù)，并對實驗中出現(xiàn)的強(qiáng)化現(xiàn)象從理論上進(jìn)行解釋。
　　本研究工作首先集中于Cr2AlC和Cr2AlSiC固溶體的模型確立，晶體結(jié)構(gòu)和形成能的計算。選取Cr2AlC原胞，并對其進(jìn)行優(yōu)化。在Cr2AlC模型的基礎(chǔ)上，令Si原子取代其中的部分Al原子，通過最低能量法則，建立起不同Si固溶度的固溶體模型，再對Cr2AlSiC的晶體結(jié)構(gòu)和形成能進(jìn)行計算。計算結(jié)果表明：隨著Si

3、原子的加入，晶格常數(shù)α基本保持不變，而c呈逐漸遞減的趨勢。并通過進(jìn)一步計算鍵長變化發(fā)現(xiàn)晶格常數(shù)c的縮短主要是由Cr-Si鍵長短于Cr-Al鍵長的影響所致。計算得到的Cr2AlSiC固溶體的形成能都為負(fù)值，說明固溶體在能量上趨于穩(wěn)定。其次，利用實驗手段合成了Cr2AlSiC固溶體，證實了計算中固溶體能夠穩(wěn)定存在的結(jié)論。其晶格常數(shù)α=2.85A，c=12.83A，而相對應(yīng)的計算值為α=2.85A，c=12.58A，誤差小于5％，再次證明了選

4、取模型的可靠性。
　　本研究進(jìn)一步計算Cr2AlC和Cr2AlSiC固溶體的彈性模量、態(tài)密度和電荷密度來分析Cr2AlC的性能特點(diǎn)。材料擁有的高彈性模量和機(jī)械強(qiáng)度，是因為保持了Cr-C之間的強(qiáng)共價鍵；而它優(yōu)異的抗高溫氧化性和耐腐蝕性是由于穿插在Cr6C層之間的Al原子層與Cr6C層結(jié)合較弱，容易在外界作用下，斷鍵并通過空位遷移到表面形成致密的Al2O3層，從而保護(hù)基體免受進(jìn)一步的氧化和腐蝕。通過對Cr2AlC和Cr2AlSiC的計