基于典型碳结构的新型超硬材料设计

发布时间：2017-05-09 05:46

  本文关键词：基于典型碳结构的新型超硬材料设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳纳米材料结构十分丰富,以金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨、石墨烯等多种形式存在,在诸多领域有广泛的应用。由于结构的不同,它们的电学和力学等物理性质迥然不同。目前,在碳材料研究中最具挑战性的基本科学问题是如何设计新的碳结构,提高碳材料的力学性能,获得性能优异、甚至超过金刚石的新型超硬碳材料并赋予其独特的电学等物理性质。高压是构筑超硬结构最有力的手段,在碳材料中,石墨在高压下转化为金刚石即是典型范例。因此,本文利用DFT理论的第一性原理计算方法、CALYPSO晶体结构预测方法和硬度的理论计算方法,在金刚石、石墨、碳纳米管、富勒烯结构的基础上开展了新型超硬结构设计和研究。获得了以下结果:1.模拟发现C60@(11,11)Peapod结构和C70@(10,10)Peapod结构在压力的作用下能分别转化成两个全新的结构,U碳和V碳,且五环在转化过程中起重要作用。U碳和V碳都是具有单斜对称性的全sp3杂化碳,在一定的压力范围内比广泛研究的M碳稳定。U碳和V碳具有和金刚石相近的力学性质,U碳的体模和维氏硬度值分别为370GPa、87.6GPa,V碳的体模和维氏硬度值为411GPa、89.4GPa。特别地,U碳的提出,解决我们课题组实验上压缩C60 Peapod获得的超硬相的晶体结构和形成机制。该研究有助于人们理解Peapod结构的高压行为,不仅丰富了超硬碳材料家族,还为人们设计与合成新型超硬碳材料提供了新思路。2.模拟发现在金刚石结构中引入合适构型的sp2碳结构能获得一个新型的超硬金属立方相,C14碳,维氏硬度为55.8GPa。它的密度和金刚石的密度相近,比理论上提出的其他金属碳的密度都要大。C14碳结构中的sp3共价网格保证了它的超硬特性,结构中的sp2电子离域提供了它的金属性。C14碳在动力学上稳定,在能量上比大多理论提出的碳都要稳定。该结构的提出,解决前人用动压缩聚四氰乙烯(TCE)合成的未知相的晶体结构。该研究不仅丰富了超硬金属碳结构家族,还为人们设计与合成新型超硬金属碳提供了新思路。
【关键词】：第一性原理 超硬材料 碳 结构 高压
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ163
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-29
• 1.1 典型碳结构简介10
• 1.2 金刚石10-12
• 1.2.1 结构简介10-11
• 1.2.2 实验合成方法简介11-12
• 1.2.3 硼掺杂金刚石12
• 1.3 实验上新型超硬碳相的探索12-19
• 1.3.1 石墨的压致超硬相12-13
• 1.3.2 碳纳米管的压致超硬相13-15
• 1.3.3 富勒烯的压致超硬相15-17
• 1.3.4 其他压致超硬相17-19
• 1.4 理论上新型超硬碳相的探索19-26
• 1.4.1 石墨的压致超硬结构19-20
• 1.4.2 碳纳米管的压致超硬结构20-23
• 1.4.3 富勒烯的压致超硬结构23-25
• 1.4.4 其他超硬结构25-26
• 1.5 选题的目的、意义及主要内容26-29
• 1.5.1 选题的目的、意义26-28
• 1.5.2 论文主要内容28-29
• 第二章 理论基础与计算方法29-37
• 2.1 引言29
• 2.2 密度泛函理论29-31
• 2.3 CALYPSO晶体结构预测方法31-33
• 2.4 硬度的理论计算33-37
• 2.4.1 硬度的定义33
• 2.4.2 键阻抗硬度模型33-34
• 2.4.3 键强度硬度模型34-35
• 2.4.4 电负性硬度模型35-36
• 2.4.5 模量硬度模型36-37
• 第三章 基于C_(60)/C_(70) Peapod的超硬结构设计37-48
• 3.1 引言37-38
• 3.2 计算方法和细节38-39
• 3.3 结果与讨论39-46
• 3.3.1 C_(60)/C_(70) Peapod结构在高压下的行为研究39-40
• 3.3.2 U碳和V碳的晶体结构40-41
• 3.3.3 U碳和V碳的结构稳定性41-44
• 3.3.4 U碳和V碳的力学性质44-45
• 3.3.5 U碳和V碳的电学性质45
• 3.3.6 理论与实验XRD衍射谱对比45-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第四章 基于金刚石和石墨的超硬金属结构设计48-60
• 4.1 引言48-49
• 4.2 计算方法和细节49
• 4.3 结果与讨论49-59
• 4.3.1 结构设计49-51
• 4.3.2 结构稳定性51-54
• 4.3.3 C14碳的力学性质54-55
• 4.3.4 C14碳的电学性质55-56
• 4.3.5 C14碳的理论实验XRD对比56-58
• 4.3.6 TCE合成C14碳的路径猜想58-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 论文总结60-61
• 参考文献61-68
• 作者简介68-69
• 攻读硕士期间完成的学术论文69-70
• 致谢70-71

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