基于第一性原理的三元层状Cr-Al-B陶瓷性能预测
发布时间：2020-05-25 08:33
【摘要】：作为超高温陶瓷的重要一员,二元过渡金属硼化物在高超声速飞行器以及超音速冲压发动机的热结构部件中具有广阔应用前景。然而该类陶瓷的本征脆性和较差的抗氧化性限制了其潜在应用。三元层状可加工陶瓷MAX相的优异性能提醒人们通过在二元硼化物晶格中加入一层或两层Al原子形成三元过渡金属硼化物MAB相以改善其脆性和抗氧化性能。Cr-A-B系MAB相由于可能形成致密的氧化物从而具有优异抗氧化性能而成为近期的研究热点。本论文针对该体系存在的主要化合物Cr2Al B2,Cr3Al B4和Cr4Al B6采用基于密度泛函理论的第一性原理方法预测该材料的基态性能和晶格动力学行为,并通过比较一个假想化合物Mo Al B型化合物Cr Al B考察了MAB相晶体结构对材料性能的重要影响。本文利用第一性原理方法对Cr-A-B陶瓷晶体结构进行计算,计算得到的晶体结构与实验相符。对Cr-Al-B系MAB相陶瓷态密度的计算表明在费米能级附近均具有有限电子态密度,其具有类似于金属的电子结构因而是电的良导体。电子态密度和差分电子密度分析表明在Cr Al(Cr B2)n中B和Cr原子之间存在强共价键,而Cr-Al和B-Al键较弱,这预示Cr Al(Cr B2)n与MAX相具有类似的非凡性质。MAB相的层状本质和类金属键合以及与之相关的微纳米层片分层、裂纹偏转和桥连导致了该类材料具有高断裂韧性和损伤容限。该类陶瓷表现出各向异性的可压缩行为。沿着B-B锯齿形/六角形链方向的具有最硬晶轴和由软金属夹层和刚性共价键之间的相互作用确定了最软晶轴显示了各向异性压缩的压缩行为。Cr Al(Cr B2)n中的弹性模量随着Cr-B单元数n的增多而增加,但是密度并没有增加。本文对Cr-Al-B陶瓷的晶格振动和相稳定性进行讨论。对Cr-Al-B陶瓷的声子的色散曲线和声子态密度研究表明,Cr Al B、Cr2Al B2和Cr4Al B6,所有频率都是正的(实数),表明这些相的动态稳定性。Cr3Al B4在简谐近似下存在虚频。高频声子几乎被B原子占据,由于B原子的强化学键合和低原子质量,而Cr和Al声子态的频率总是在20THz以下。利用线性规划法对Cr-Al-B陶瓷相稳定性的研究表明假设的Cr Al B不具有热力学稳定性,Cr2Al B2稳定性最好而Cr3Al B4的稳定性较差。Cr3Al B4和Cr4Al B6相互竞争。本论文细致研究了Cr2Al B2的晶格动力学行为及其相关的热力学性能,包括热膨胀、热容、热导率等。由于Cr2Al B2的高度有序堆叠,Cr2Al B2具有最高的热导率。通过弯曲的B-Cr-B键桥接的Cr4Al B6具有相对较低的固有导热率。Cr2Al B2具有明显的各向异性膨胀性。其中沿b方向的热膨胀明显大于沿a和c轴方向的值。Cr2Al B2室温到2300K的热容可以用公式精确表示。在温度较低时热容增加迅速,然后线性增长。在低温时,体积模量降低较慢,随着温度升高,体积模量几乎是线性降低的。
【图文】：
材料的结构对其宏观性能有着重要的影响，比如力学性能，导电性，导热性以及磁性能都与材料的微观结构有着密不可分的关系[41]。所以材料结构分析是理解材料性能和行为的重要起点。Cr3AlB4的晶体结构最早在 1972 年被 Kuz'Ma[42]等人发现，测定 Cr3AlB4的晶格常数 a，b，c 分别为 2.98 ，8.01 ，2.96 。Cr2AlB2的晶体结构最早由Chaban[43]等人发现，，测定 Cr2AlB2的晶格常数 a，b，c 分别为 5.07 ,，5.07 ，2.97 。2015 年 Ade[4]等人通过将原料粉末按一定配比在一定温度进行保温的方法成功制备了 Cr2AlB2，Cr3AlB4和 Cr4AlB6，并对其晶体结构进行了测定。化合物CrAl(CrB2)n是与以硼基元相关的二元硼化物的简单三元变体。它们显示出与CrB（锯齿形链），Cr3B4（六边形链）和 Cr2B3（六边形双链）中分别实现的相同的结构单元。可以看出 CrAl(CrB2)n的晶体结构主要由 Cr-B 层和 Cr-Al 组成，可以看成 Al 原子插入 CrB 中，B 原子之间形成锯齿形 B-B 链（图 1-2），这与MAX 相的结构是类似的。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文以单层存在。换句话说，三元 Cr-Al-B 陶瓷可看作二元硼化物沿 b 轴方向插入单/双层铝原子而形成的。经计算后发现，Cr 原子和 Al 原子形成一个近似体心立方的局部排列，而 Cr-B 层仍然具有二元硼化物 CrB（CrAlB）或 CrB2（Cr2AlB2、Cr3AlB4、Cr4AlB6）的原子排列方式。在 Cr3AlB4和 Cr4AlB6，在 Cr-B 层 B 原子形成一个平面六圆环。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V254.2
本文编号：2679871
【图文】：
材料的结构对其宏观性能有着重要的影响，比如力学性能，导电性，导热性以及磁性能都与材料的微观结构有着密不可分的关系[41]。所以材料结构分析是理解材料性能和行为的重要起点。Cr3AlB4的晶体结构最早在 1972 年被 Kuz'Ma[42]等人发现，测定 Cr3AlB4的晶格常数 a，b，c 分别为 2.98 ，8.01 ，2.96 。Cr2AlB2的晶体结构最早由Chaban[43]等人发现，，测定 Cr2AlB2的晶格常数 a，b，c 分别为 5.07 ,，5.07 ，2.97 。2015 年 Ade[4]等人通过将原料粉末按一定配比在一定温度进行保温的方法成功制备了 Cr2AlB2，Cr3AlB4和 Cr4AlB6，并对其晶体结构进行了测定。化合物CrAl(CrB2)n是与以硼基元相关的二元硼化物的简单三元变体。它们显示出与CrB（锯齿形链），Cr3B4（六边形链）和 Cr2B3（六边形双链）中分别实现的相同的结构单元。可以看出 CrAl(CrB2)n的晶体结构主要由 Cr-B 层和 Cr-Al 组成，可以看成 Al 原子插入 CrB 中，B 原子之间形成锯齿形 B-B 链（图 1-2），这与MAX 相的结构是类似的。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文以单层存在。换句话说，三元 Cr-Al-B 陶瓷可看作二元硼化物沿 b 轴方向插入单/双层铝原子而形成的。经计算后发现，Cr 原子和 Al 原子形成一个近似体心立方的局部排列，而 Cr-B 层仍然具有二元硼化物 CrB（CrAlB）或 CrB2（Cr2AlB2、Cr3AlB4、Cr4AlB6）的原子排列方式。在 Cr3AlB4和 Cr4AlB6，在 Cr-B 层 B 原子形成一个平面六圆环。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V254.2
【参考文献】
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本文编号：2679871
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