二硅化钼材料热力学性质的理论与应用研究

发布时间：2017-09-13 12:12

  本文关键词：二硅化钼材料热力学性质的理论与应用研究

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【摘要】：MoSi_2由于兼具金属和陶瓷的优异性能,是一种性能优异的高温材料,具有高熔点、高硬度和优良的导电、导热和抗化学腐蚀性等性能,近年来备受关注。在高温环境下的应用显示出强大的生命力,特别是能在许多领域起到金属和陶瓷难以胜任的独特作用。虽然它在技术方面已得到广泛的应用,但是在高温下的某些性质及机理没有得到深入研究。通过计算推测MoSi_2材料的热力学性能,并结合工程应用实践,可以准确揭示在高温下其性能产生的机理,为进一步提高MoSi_2材料的性能和应用提供理论依据。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算软件Materials studios的CASTEP软件包,通过计算声子的方法,得到MoSi_2的声子谱,并分析MoSi_2的热力学性质,得到的等容热容、等压热容、热膨胀系数、德拜温度、体积弹性模量、标准摩尔吉布斯自由能、标准摩尔生成焓等热力学数据随温度的变化情况。同时结合MoSi_2材料在实际工程应用的性能分析,论证计算结果,为进一步发展MoSi_2的应用提供理论参考。计算结果表明C11b结构MoSi_2的内聚能的绝对值大于C40结构,意味着C40结构的MoSi_2稳定性不如C11b结构。在其他热力学性质上,两种结构的MoSi_2基本保持了相同的特点:热膨胀系数先随温度的升高而迅速增长,随着温度继续升高增长速度逐渐变慢。MoSi_2的体积弹性模量在低温时几乎保持不变,随温度升高呈线性下降。MoSi_2的标准熵随温度升高而增大,这是由于温度升高,物质的微观状态数增大,因此标准熵增大。同时,MoSi_2的标准摩尔吉布斯自由能随温度升高而减小。在极低温度时(0-30K),热容vC也接近0,热容遵循德拜T3定律,与热力学温度的三次方成正比,而在高温时,热容遵循非谐效应,随温度的升高迅速增大,在约750K以后,vC逐渐趋近于常数,即杜隆-珀替(Dulong-Petit)极限。通过第一性原理模拟推测MoSi_2的热力学性能,部分实验值论证了该计算的准确性,可以为MoSi_2在高温高压下的工程使用提供理论依据,也为改善其材料性能,拓展应用范围打下基础。
【关键词】：MoSi_2 第一性原理 热力学性质
【学位授予单位】：景德镇陶瓷大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ136.12
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-15
• 1.1 二硅化钼的晶体结构和基本性能8-10
• 1.1.1 晶体结构8-10
• 1.1.2 基本性能10
• 1.2 二硅化钼材料的主要应用10-12
• 1.2.1 发热元件10-11
• 1.2.2 高温结构材料11-12
• 1.2.3 高温涂层材料12
• 1.2.4 其他应用12
• 1.3 二硅化钼材料的制备12-13
• 1.3.1 无压/热压工艺12
• 1.3.2 自蔓延高温合成工艺12-13
• 1.3.3 等离子烧结工艺13
• 1.3.4 机械合金化(MA)制备二硅化钼粉体13
• 1.4 MoSi_2材料目前存在的问题13-14
• 1.5 本课题的研究内容和意义14-15
• 2 计算原理及方法15-26
• 2.1 第一性原理15-18
• 2.1.1 波恩—奥本海默近似(Born-Oppenheimer)16-17
• 2.1.2 哈特里—福克近似（Hartree-Fock）17-18
• 2.2 密度泛函理论18-21
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn定理18-19
• 2.2.2 Kohn-Sham方程19-20
• 2.2.3 交换关联函数20-21
• 2.3 热力学性质21-23
• 2.3.1 声子21
• 2.3.2 Helmholtz自由能、熵、热容21-23
• 2.3.3 晶体热容的Debye模型23
• 2.4 CASTEP软件23-25
• 2.5 本章小结25-26
• 3 MoSi_2材料的热力学性质分析26-43
• 3.1 MoSi_2晶体结构的几何优化26
• 3.2 计算参数26
• 3.3 MoSi_2的热力学性质分析26-39
• 3.3.1 MoSi_2的内聚能26-27
• 3.3.2 MoSi_2的熔点27
• 3.3.3 MoSi_2的声子散射曲线和声子态密度27-30
• 3.3.4 MoSi_2的热膨胀系数30-32
• 3.3.5 MoSi_2的体积弹性模量32-33
• 3.3.6 MoSi_2的热容33-34
• 3.3.7 MoSi_2的德拜温度34-37
• 3.3.8 MoSi_2的吉布斯自由能、熵、生成焓37-39
• 3.4 MoSi_2热力学性质的工程实例研究39-41
• 3.4.1 MoSi_2材料的无压烧结制备39-40
• 3.4.2 MoSi_2材料的低温氧化性能40-41
• 3.5 本章小结41-43
• 4 结论43-44
• 致谢44-45
• 参考文献45-48

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