BC X N（X=1,4,6）超硬材料力学性能的第一性原理研究
发布时间：2021-03-04 19:50
本文在综述超硬材料研究情况和第一性原理计算方法的基础上,利用密度泛函理论（DFT）及密度泛函微扰理论（DFPT）计算了新型低焓超硬BCXN（X=1,4,6）材料的电子结构、力学性质、动力学稳定性、热力学稳定性、理想强度和理论硬度,为设计与合成新材料及了解材料的性质提供帮助。阐明了结构稳定且具有优良力学性能结构的合成条件,探索了碳含量变化及化学键的不同排布方式对硼碳氮多元复杂体系结构及性能变化的构效关系。在粒子群优化（PSO）算法及第一性原理计算的基础上,预测出体心四方结构t-BCN、体心正交结构o-BC4N和中心单斜结构Cm-BC6N等新型低焓超硬相。利用基于密度泛函理论（DFT）的第一原理计算软件对上述新型超硬相的结构、电子和力学性能进行了深入研究。上述结构中各原子呈现出近四面体sp3杂化电子态特征,且与周围原子成共价键。弹性常数计算结果显示以上新型硼碳氮结构均为力学稳定性相。计算结果揭示在压力达到22.2 GPa以上条件下t-BCN比石墨状g-BCN在热力学上更稳定。t-BCN的理想强度在剪切载...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
由应力-应变曲线确定强度值的示意图
第2章基本理论、计算方法和常用软件-21-图2-2由应力-应变曲线确定强度值的示意图Fig.2-2Schematicdiagramofthestrengthdependingonstress-strainplot2.3.2.2理想强度的计算方法图2-3是两种应变模式的示意图。在拉伸应变下，应力垂直于受力面，因为是正反两个方向同时拉伸，因此正反方向相同。对于剪切应变，应力与滑移面平行，由于物质结构的复杂性，对于一些结构，正向剪切和逆向剪切不相同。例如，金刚石的(111)[11-2]和(111)[-1-12]就完全不同。图2-3两种应变模式的示意图:(a)拉伸应变及(b)层间的剪切应变Fig.2-3Schematicdiagramoftwotypesdeformationmode:(a)thetensilemodeand(b)thesheardeformationbetweenlayers本文依据Roundy[111]的计算方法，在晶胞的某一晶体学高对称方向上施加一组递增的应变，在反过来计算对应产生的应力，由此绘制应力与应变曲线后得到其理想强度值。在实际计算中，由于精度所限，我们认为当残余应力小于0.1GPa时即为收(a)(b)
燕山大学工学博士学位论文-24-550eV，布里渊区的高对称点积分通过Monkhorst-Pack方法[120]实现，k点采用12×12×4以保证总能收敛至1meV/atom，上述设置完全满足我们的收敛要求。通过计算独立的弹性常数Cij，采用Voight-Reuss-Hill(VRH)平均法[121]近似，获得了体积模量B和剪切模量G等力学性质参数。通过基于平面波密度泛函微扰理论，采用局域梯度近似，有限位移方法进行了声子谱计算。利用MS软件和VESTA[122]软件绘制相关结构图。3.3t-BCN晶体结构t-BCN是一种新型BCN化合物，它的晶体结构为I41md空间群（No.109），属于四方晶系。图3-1(a),(b),(c)和(d)分别是t-BCN的三维结构图及沿[001]，[100]和[010]方向的视图，其中粉色球表示硼原子，灰色球表示碳原子，蓝色球表示氮原子。图3-1t-BCN晶体结构的(a)三维视图，(b)视线沿[001]方向的视图，(c)视线沿[100]方向的视图以及(d)视线沿[001]方向的视图Fig.3-1Crystalstructuresoft-BCN:(a)three-dimensionaltopology,(b)alongthe[001]directiontopology,(c)alongthe[100]directiontopologyand(d)alongthe[010]directiontopology由图3-1(a)可见，对于四方相t-BCN晶胞内有12个原子，包括4个B原子，4个C原子，4个N原子。每个B原子（C原子或N原子）以共价键连接2个N原子（B原子或C原子）和2个C原子（N原子或B原子），该结构中没有B-B，C-C，N-N键，形成了单一的B-C-N-B-C-N首尾连接的非共面六元环结构。如图3-1(c)和
【参考文献】：
期刊论文
[1]Surperhard monoclinic BC6N allotropes:First-principles investigations[J]. 屈年瑞,王洪超,李青,李一鼎,李志平,缑慧阳,高发明. Chinese Physics B. 2019(09)
[2]超导材料的研究进展及应用[J]. 邹芹,李瑞,李艳国,王明智. 燕山大学学报. 2019(02)
[3]An Orthorhombic Phase of Superhard o-BC4N[J]. 屈年瑞,王洪超,李青,李志平,高发明. Chinese Physics Letters. 2019(03)
[4]新型四方相I42m-BCN力学性能的第一性原理研究[J]. 李青,王洪超,屈年瑞,李志平. 燕山大学学报. 2018(06)
[5]立方聚合氮（cg-N）的高温高压合成[J]. 雷力,蒲梅芳,冯雷豪,戚磊,张雷雷. 高压物理学报. 2018(02)
[6]纳米孪晶超硬材料的高压合成[J]. 徐波,田永君. 物理学报. 2017(03)
[7]Structural, Anisotropic and Thermodynamic Properties of Imm2-BCN[J]. 邢孟江,LI Binhua,YU Zhengtao,CHEN Qi. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2016(06)
[8]Superhard BC2N:an Orthogonal Crystal Obtained by Transversely Compressing（3,0）-CNTs and（3,0）-BNNTs[J]. 胡玉洁,徐胜亮,王昊,刘恒,徐雪春,蔡影祥. Chinese Physics Letters. 2016(10)
[9]Urtra-Hard Bonds in P-Carbon Stronger than Diamond[J]. 郭文锋,王凌生,李志平,夏美荣,高发明. Chinese Physics Letters. 2015 (09)
[10]超硬材料的研究进展及展望（英文）[J]. 徐波,田永君. Science China Materials. 2015(02)
博士论文
[1]B-C-N体系中新型超硬材料制备与性能研究[D]. 黄权.燕山大学 2015
本文编号：3063810
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
由应力-应变曲线确定强度值的示意图
第2章基本理论、计算方法和常用软件-21-图2-2由应力-应变曲线确定强度值的示意图Fig.2-2Schematicdiagramofthestrengthdependingonstress-strainplot2.3.2.2理想强度的计算方法图2-3是两种应变模式的示意图。在拉伸应变下，应力垂直于受力面，因为是正反两个方向同时拉伸，因此正反方向相同。对于剪切应变，应力与滑移面平行，由于物质结构的复杂性，对于一些结构，正向剪切和逆向剪切不相同。例如，金刚石的(111)[11-2]和(111)[-1-12]就完全不同。图2-3两种应变模式的示意图:(a)拉伸应变及(b)层间的剪切应变Fig.2-3Schematicdiagramoftwotypesdeformationmode:(a)thetensilemodeand(b)thesheardeformationbetweenlayers本文依据Roundy[111]的计算方法，在晶胞的某一晶体学高对称方向上施加一组递增的应变，在反过来计算对应产生的应力，由此绘制应力与应变曲线后得到其理想强度值。在实际计算中，由于精度所限，我们认为当残余应力小于0.1GPa时即为收(a)(b)
燕山大学工学博士学位论文-24-550eV，布里渊区的高对称点积分通过Monkhorst-Pack方法[120]实现，k点采用12×12×4以保证总能收敛至1meV/atom，上述设置完全满足我们的收敛要求。通过计算独立的弹性常数Cij，采用Voight-Reuss-Hill(VRH)平均法[121]近似，获得了体积模量B和剪切模量G等力学性质参数。通过基于平面波密度泛函微扰理论，采用局域梯度近似，有限位移方法进行了声子谱计算。利用MS软件和VESTA[122]软件绘制相关结构图。3.3t-BCN晶体结构t-BCN是一种新型BCN化合物，它的晶体结构为I41md空间群（No.109），属于四方晶系。图3-1(a),(b),(c)和(d)分别是t-BCN的三维结构图及沿[001]，[100]和[010]方向的视图，其中粉色球表示硼原子，灰色球表示碳原子，蓝色球表示氮原子。图3-1t-BCN晶体结构的(a)三维视图，(b)视线沿[001]方向的视图，(c)视线沿[100]方向的视图以及(d)视线沿[001]方向的视图Fig.3-1Crystalstructuresoft-BCN:(a)three-dimensionaltopology,(b)alongthe[001]directiontopology,(c)alongthe[100]directiontopologyand(d)alongthe[010]directiontopology由图3-1(a)可见，对于四方相t-BCN晶胞内有12个原子，包括4个B原子，4个C原子，4个N原子。每个B原子（C原子或N原子）以共价键连接2个N原子（B原子或C原子）和2个C原子（N原子或B原子），该结构中没有B-B，C-C，N-N键，形成了单一的B-C-N-B-C-N首尾连接的非共面六元环结构。如图3-1(c)和
【参考文献】：
期刊论文
[1]Surperhard monoclinic BC6N allotropes:First-principles investigations[J]. 屈年瑞,王洪超,李青,李一鼎,李志平,缑慧阳,高发明. Chinese Physics B. 2019(09)
[2]超导材料的研究进展及应用[J]. 邹芹,李瑞,李艳国,王明智. 燕山大学学报. 2019(02)
[3]An Orthorhombic Phase of Superhard o-BC4N[J]. 屈年瑞,王洪超,李青,李志平,高发明. Chinese Physics Letters. 2019(03)
[4]新型四方相I42m-BCN力学性能的第一性原理研究[J]. 李青,王洪超,屈年瑞,李志平. 燕山大学学报. 2018(06)
[5]立方聚合氮（cg-N）的高温高压合成[J]. 雷力,蒲梅芳,冯雷豪,戚磊,张雷雷. 高压物理学报. 2018(02)
[6]纳米孪晶超硬材料的高压合成[J]. 徐波,田永君. 物理学报. 2017(03)
[7]Structural, Anisotropic and Thermodynamic Properties of Imm2-BCN[J]. 邢孟江,LI Binhua,YU Zhengtao,CHEN Qi. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science）. 2016(06)
[8]Superhard BC2N:an Orthogonal Crystal Obtained by Transversely Compressing（3,0）-CNTs and（3,0）-BNNTs[J]. 胡玉洁,徐胜亮,王昊,刘恒,徐雪春,蔡影祥. Chinese Physics Letters. 2016(10)
[9]Urtra-Hard Bonds in P-Carbon Stronger than Diamond[J]. 郭文锋,王凌生,李志平,夏美荣,高发明. Chinese Physics Letters. 2015 (09)
[10]超硬材料的研究进展及展望（英文）[J]. 徐波,田永君. Science China Materials. 2015(02)
博士论文
[1]B-C-N体系中新型超硬材料制备与性能研究[D]. 黄权.燕山大学 2015
本文编号：3063810
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