第VB族过渡金属氮化物结构和物性的第一性原理研究

发布时间：2020-10-28 06:45

　　 随着社会发展和科技进步,人类对新型硬质材料的需求也与日俱增。过渡金属氮化物由于普遍具有较高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性以及高温化学稳定性被广泛应用于制作切割工具、耐磨涂层等,一直是材料领域的研究热点。通过第一性原理计算的方法研究大压力范围内材料结构和物性的变化,对指导实验有着重要的意义。本文基于第一性原理计算,采用结构搜索软件CALYPSO,对第VB族过渡金属一氮化物,二氮化物以及三元一氮化物进行大压力范围的结构探索,并对可能存在的结构进行稳定性验证和系统力学性质研究,以期对未来实验合成提供指导,在研究过程中获得了以下创新性结果:第一,对于V,Nb,Ta的二元一氮化物的研究表明,P-6m2结构为VN和Nb N的基态相,是在0 GPa到100 GPa范围内的最稳定结构,而Ta N的基态相为P-62m结构。他们的B1结构作为高温相在0 K、0压力下是不稳定的。通过与九个邻族一氮化物的对比研究得出,单位化学式中的价电子数VEC是影响一氮化物力学性质的关键因素,VN和Ta N由于具有最佳的VEC值是力学性质最好的一氮化物。弹性各向异性和强度各向异性计算表明P-6m2结构的力学各向异性要远小于B1结构。基于弹性模量的维氏硬度经验公式计算结果和理想强度计算表明,P-6m2结构VN和Ta N的理论硬度约为30 GPa,电子结构分析表明,过渡金属和氮之间形成一种介于离子键和共价键之间兼有金属键的混合键,其中共价作用是较高硬度和强度的根源所在。第二,对于V,Nb,Ta的二元二氮化物的研究表明,VN2在不同的压力范围内分别有六方相结构空间群为P63/mmc,正交相结构空间群为Cmc21和四方相结构空间群为I4/mcm三种结构。Nb N2和Ta N2在低压和高压区的结构一致分别为正交相Amm2结构和四方相I4/mcm结构。我们对这些结构进行了热力学、动力学以及力学稳定性验证,结果表明它们在0 K、0压时都是稳定的。弹性各向异性和理想强度计算结果显示,六方相和正交相的弹性各向异性较大,四方相结构具有最小的弹性各向异性,而VN2的基态结构六方相则表现出较好的理想强度和最小的强度各向异性,通过跟传统硬质材料B1结构的VN相比,力学性质提升较大。第三,对三元氮化物V0.5Ta0.5N,V0.5Nb0.5N和Nb0.5Ta0.5N的研究表明,它们在不同的压力范围内分别有正交相结构空间群为Pmm2,Cmc21和空间群为Fm-3m的立方相结构。对这三种结构进行的热力学、动力学以及力学稳定性验证结果表明这些结构在0 K、0压时都是稳定的。通过HSE06杂化泛函方法计算的立方相V0.5Ta0.5N和V0.5Nb0.5N的能带结构存在明显带隙,进一步分析表明,带隙主要是因为原子半径不同导致晶格中原子占位的细微差异引起。弹性各向异性和理想强度计算结果显示,正交相具有较小的弹性各向异性,立方相结构弹性各向异性较大,由于两种正交相只有金属原子排序的差异,因此形成焓差异较小,在实验合成时可能存在竞争关系。正交相具有较好的理想强度和最小的强度各向异性,其中Cmc21结构V0.5Ta0.5N的压痕剪切强度和维氏硬度达到了30GPa,因此可以用作硬质工程材料。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;O641.1
【部分图文】：

2图 1-1 硬度值和体积模量(a)以及剪切模量(b)的关系。对材料硬度和强度的测量往往具有随机性，难以保证所测结果而第一性原理计算的方法，可以对晶胞任意方向设置一定的应关系，得出晶体对各个方向持续应变的响应，从而得到材料的法对实验具有很好的补充和引导作用。年，瑞典和美国研究人员首次利用高压技术合成了金刚石[29]，作

第一章 绪论压相，金刚石的人工合成表明利用高压技术探索材料的高压结构具有重要的意义，虽然通常利用高压合成的材料，在常温常压时是亚稳结构，但是一些材料的高压相仍然具有良好的力学性能，这就激发起人们去探索材料高压结构的热情。在大压力范围内对材料的结构进行广泛探索是当前合成新材料的一个热点方向，近年来，利用高压技术合成的各种新材料层出不穷，由燕山大学和吉林大学以及河北工业大学一起合作，利用高压技术成功合成了立方氮化硼的孪晶块体，其维氏硬度超过了 100 GPa[16]。

西北大学博士学位论文材料的基态结构和研究基态结构的物性带来困难。第二种方究高压下材料的结构和性质，尤其是基于密度泛函理论的第，随着计算机技术的快速发展，计算机的运算能力获得了极理计算的方法研究材料的结构和物性，不仅能节省人力物力极端条件下材料的性质改变具有高效、准确的极大优势，难以替代的作用，并且随着各种第一性原理软件的发展，目物性的研究也越来越准确，很多结果都得到了实验的验证，料领域发挥着越来越重要的作用。
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本文编号：2859738