碳化硅增强铝基复合材料界面性质理论研究

发布时间：2017-07-31 07:20

  本文关键词：碳化硅增强铝基复合材料界面性质理论研究

  更多相关文章： SiC/MgAl_2O_4/Al界面 表面 分离功 电子结构 第一性原理

【摘要】：本文应用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对SiC增强Al基复合材料中的界面产物MgAl_2O_4的表面结构、SiC(0001)/MgAl_2O_4(111)界面、Al(001)/MgAl_2O_4(001)界面进行了系统的研究。分别研究了不同终端结构的MgAl_2O_4(111)表面结构的弛豫结果、表面能、表面巨势、电子结构以及不同结合方式的SiC(0001)/MgAl_2O_4(111)界面和MgAl_2O_4/Al界面结构的弛豫结果、分离功、电子结构,全面的阐述了界面产物MgAl_2O_4自身性质和异质界面结合性能,解释界面结合机制,为实验提供理论依据。第三章节首先研究了界面产物MgAl_2O_4与MgO、Al2O3晶体结构以及电子结构上的联系,MgAl_2O_4的带隙宽度处于Al2O3和MgO之间,与MgO和Al2O3相比,MgAl_2O_4的导带宽度变窄,电子传输能力相对MgO和Al2O3较弱。形成能为-0.20eV,说明MgAl_2O_4可以由MgO和Al2O3合成。第四章节研究了MgAl_2O_4(111)表面性质,计算了8种MgAl_2O_4(111)表面结构的弛豫、表面能、不同环境下的表面巨势、表面结构的分波态密度、原子电荷布局。计算结果表明:MgAl_2O_4(111)表面原子弛豫主要发生在表面3层原子,O2(Mg)和Al(O)终端表面有大的表面能,容易和其它化合物结合,也就是说在其表面生长化合物更容易。在贫O和贫Al环境中,Mg(Al)终端表面是最稳定的表面结构,它的互补面O2(Al)终端表面在富O和富Al环境稳定。MgAl_2O_4(111)近表面原子的态密度和原子布局与对应的MgO(111)和Al2O3(001)表面结构的原子的态密度和原子布局有相似的性质。第五章节搭建了一系列SiC(0001)/MgAl_2O_4(111)界面结构,分析了SiC(0001)/MgAl_2O_4(111)界面的分离功、结构优化、界面能和界面电子结构,结果表明:C/O(Mg)和Si/O(Mg)界面分别在C终端和Si终端界面中具有最大的分离功,C/O(Mg)界面结构在所有界面结构中是结合最稳定的界面。而且不仅第一层原子种类影响界面结构分离功的大小,第二层原子种类也能影响界面结构分离功的大小,第一层原子对其的影响更大。电荷密度,差分电荷密度,态密度表明C/O(Mg)界面结构的界面C和O原子形成了强烈的非极性共价键,Si/O(Mg)界面结构的界面Si和O原子形成了相对弱的极性共价键和少量离子键。第六章节研究了Al(001)/MgAl_2O_4(001)界面结构的分离功、结构优化和界面电子结构。研究表明:分离功都是随界面距离的减小而增大,AlO/Al顶位界面结构的分离功最大,是最稳定的界面结构,而且界面原子重构较为剧烈。AlO/Al顶位界面结构在界面处形成了相互作用较强的共价键,而AlO/Al中心位,Mg/Al中心位和Mg/Al顶位结构在界面处形成了较弱的离子键和金属键。通过对SiC(0001)/MgAl_2O_4(111)和MgAl_2O_4/Al两种异质界面的研究,我们发现SiC(0001)/MgAl_2O_4(111)界面中的C终端C/O(Mg)界面有最大的分离功,高达13.48J/m2,Si终端的Si/Mg(Al)界面的分离功最小值为2.81J/m2,但是Al(001)/MgAl_2O_4(001)界面中的AlO/Al顶位界面的分离功有最大值只有2.54 J/m2。所以,在SiC颗粒增强Al基复合材料中,界面SiC/MgAl_2O_4/Al的结合强度主要是由Al(001)/MgAl_2O_4(001)界面决定。
【关键词】：SiC/MgAl_2O_4/Al界面 表面 分离功 电子结构 第一性原理
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB333
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 SiC增强Al基复合材料概述9-10
• 1.2 SiC/Al界面及界面产物研究背景及现状10-12
• 1.3 本文选题意义和目的12
• 1.4 本论文研究的思路与方法12-14
• 第二章 第一性原理14-21
• 2.1 密度泛函理论14-20
• 2.1.1 多电子体系薛定谔方程14-15
• 2.1.2 两个近似15-16
• 2.1.3 Hohenberg-Kohn定理16-17
• 2.1.4 Kohn-Sham定理17
• 2.1.5 交换-关联泛函17-18
• 2.1.6 平面波及赝势方法18-20
• 2.2 优化参数20
• 2.3 本章小结20-21
• 第三章 MgAl_2O_4块体性质21-24
• 3.1 块体结构21-22
• 3.2 块体电子结构22-23
• 3.3 本章小结23-24
• 第四章 MgAl_2O_4(111)不同终端表面的电子性质及稳定性24-37
• 4.1 表面模型24-25
• 4.2 表面弛豫25-28
• 4.3 表面能28-29
• 4.4 表面巨势29-32
• 4.5 表面电子结构32-36
• 4.6 本章小结36-37
• 第五章 SiC(0001)/MgAl_2O_4(111)界面电子性质及稳定性37-48
• 5.1 界面结构37-40
• 5.2 界面分离功40-42
• 5.3 界面弛豫42-43
• 5.4 界面电子结构43-47
• 5.5 本章小结47-48
• 第六章 Al(001)/MgAl_2O_4(001)界面电子性质及稳定性48-56
• 6.1 界面结构搭建48-49
• 6.2 界面分离功49-51
• 6.3 界面弛豫51-52
• 6.4 界面电子结构52-55
• 6.5 本章小结55-56
• 结论56-57
• 参考文献57-66
• 致谢66-67
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文67

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