铌碳化合物的高温高压合成及其物性研究

发布时间：2020-05-28 08:00

【摘要】：由于过渡金属具有较为独特的电子特性,与轻元素键合可形成较强的共价键,并具有较高的价电子密度,所以过渡金属轻元素化合物被广泛认作是潜在的超硬材料,目前已有多种高硬度的过渡金属轻元素化合物被成功地理论预测与实验合成出来。由于过渡金属与轻元素之间的轨道杂化强度对其硬度影响很大,所以有必要在过渡金属轻元素化合物中选择合适的体系对轨道杂化强度进行研究。同时,在此类化合物中还会呈现出多种功能性,例如:超导、催化、磁性等,其兼具高硬度与功能性的特点也将为寻找硬质(超硬)多功能材料提供理想的平台。本论文以过渡金属碳化物中立方结构的碳化铌为研究对象,利用高温高压方法对碳化铌材料进行了合成。通过对所合成样品的结构、微观形貌、力学、超导以及抗氧化能力表征得到了如下结果:1.利用高温高压反应法,在铌碳摩尔比1:0.6,压力5 GPa,温度2300 K,保温15分钟的条件下可得到高致密度的碳化铌块体样品。微观形貌测试(SEM、TEM)与密度测试表明样品的致密度较高(≥98.0%),说明高温高压法对于合成具有特定形貌的高致密度块体材料具有独特的优势。2.对高温高压法合成的块体碳化铌材料进行维氏硬度测试,测试结果表明碳化铌的收敛维氏硬度值在21.7 GPa左右,其硬度收敛值与常用的硬质材料硬度值相当,可在切割、磨削等领域具有一定的应用。碳化铌的收敛维氏硬度值也与其它高轻元素浓度的过渡金属轻元素化合物具有同等的硬度值,并且立方结构的碳化铌晶体当中只存在铌-碳键,以上结果表明在过渡金属轻元素化合物当中过渡金属d轨道与轻元素p轨道之间可以形成较强的轨道杂化作用,选择恰当的过渡金属与轻元素种类可能会实现高硬度甚至超硬材料。3.对合成的碳化铌材料进行低温电阻测试与迈斯纳效应测试,结果表明碳化铌在11.8 K以下转变为第二类超导电性材料,临界磁场与临界温度值相对较高。抗氧化性测试表明碳化铌的抗氧化温度达到550℃以上,说明碳化铌具有较强的抗氧化能力。综合以上说明:通过高温高压法合成的碳化铌材料同时具有较高的硬度值、超导电性与抗氧化能力,是一种潜在的硬质超导材料。4.通过第一性原理对碳化铌晶体进行了电子结构的计算。结果表明碳化铌具有较高的体弹模量,较高的铌-碳化学键布居以及较高的电子局域密度,说明铌-碳键具有较强的共价性,从而解释了碳化铌较高的硬度值。此外由于碳化铌较强的化学键所导致的较高的声子振动频率以及较高的费米面附近电子态密度,从而形成较强的电子相互作用构成库柏对,所以具有较高的超导转变温度。
【图文】：

超硬材料,立方氮化硼,硬质材料,天然金刚石

第一章绪论1.1 研究背景硬质功能材料具备有高硬度、耐磨性和高的抗压缩能力，这些优异的性质在机械加工、航空航天、耐磨涂层等领域中有着举足轻重的地位[1]。在日常生活和生产应用过程中，经常见到的硬质(超硬)材料有金刚石和立方氮化硼等[2, 3]。硬质（超硬）材料的应用对社会各行各业的发展起到了巨大的推动作用，也是我国高技术发展战略竞争的热点[4, 5]。在上个世纪，，各国的科研人员就已经开始研究如何人工合成超硬材料。维氏硬度值收敛在 40 GPa 以上的材料被定义为超硬材料。

骨架图,轻元素,过渡金属,化合物

它相比于金刚石有着较好的热稳定性和化学稳定性。然而，立方氮化硬度值不及金刚石，一般在 40 至 60 GPa[11]。在实际应用过程中，由于立方硼的合成条件苛刻，产量低，脆性高等问题极大的限制了它的普遍使用。传硬材料金刚石和立方氮化硼的实际使用缺点的存在，激发了科研人员探索新功能超硬材料的兴趣，而对于传统超硬材料也在不断的改良之中。在科研人员经过探索和研究超硬材料应用的新方面和新型多功能硬质材后，人们发现，目前最具备超硬材料潜质的主要有两类，一类是以硼碳氮氧素形成的化合物或单质，另一类是过渡金属和轻元素形成的化合物[12]。传超硬材料具有高的价电子密度、较多的共价键数，高的平均键能且共价键具强的方向性的特点。以硼碳氮氧轻元素形成的单质或化合物形成了类似于传硬材料金刚石的强共价键，来抵抗剪切形变，具有很高的剪切模量。因此这料是潜在的超硬材料，在以硼碳氮氧轻元素这类材料中，已经发现了具有高的材料，如 BC5、BC2N、B6O 等等[13-17]。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

【参考文献】