第一性原理研究NbSi 2 的基本性质及其氧化机制

发布时间：2024-03-21 04:56

　　NbSi2硅化物以其高熔点、高强度和适中的密度等特点被认为是新一代高温结构材料的候选者,能够应用于航天航空发动机涡轮叶片、热障涂层和工业燃烧炉等各个工业领域。然而,最近的文献表明,较差的高温抗氧化性能制约了它的工业应用,且NbSi2氧化的内部机制还不甚清楚。之前的实验研究表明,Ti、Zr和Hf等合金元素能够形成化学性质稳定的氧化产物,可改善Nb-Si基合金的抗氧化性能。因此,合金化方法成为提高NbSi2抗氧化能力的一种重要的手段。本文采用基于密度泛函理论第一性原理方法,首先研究了 NbSi2的四种晶体结构(C40、C11b、C54和C49)的结构稳定性、力学性质、热力学性质和电子性质,比较了这四种晶体结构的结构稳定性和各种性能的差异,并从电子结构角度阐明了其差异的本质原因。接下来,重点研究了 C40-NbSi2的氧化机制,主要考虑了氧原子在NbSi2(001)表面上的吸附性质和氧原子在体相NbSi2晶体中的扩散路径及占位机制,并分析了氧原子与其周围原子的相互作用。在此基础上,研究了合金元素Ti、Zr和Hf在NbSi2晶体中的稳定性占位以及对NbSi2抗氧化性能的影响。本文的主要研究成果...

【文章页数】：90 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 NbSi₂合金概述
    1.3 Nb及Nb-Si基合金氧化行为的研究现状
        1.3.1 Nb的氧化行为
        1.3.2 Nb-Si基合金氧化行为的国外研究现状
        1.3.3 Nb-Si基合金氧化行为的国内研究现状
    1.4 合金化法改善Nb-Si基合金抗氧化性研究
    1.5 选题意义与研究内容
第2章 第一性原理计算方法
    2.1 引言
    2.2 多粒子体系薛定谔方程
        2.2.1 Born-Oppenheimer近似
        2.2.2 Hartree-Fock近似
    2.3 密度泛函理论
        2.3.1 Hohenberg-Kohn定理
        2.3.2 Kohn-Sham方程
        2.3.3 交换关联能泛函
    2.4 CASTEP计算模块简介
    2.5 本章小结
第3章 NbSi₂的稳定结构、力学性质和热力学性质研究
    3.1 引言
    3.2 结构模型及计算方法
    3.3 结构稳定性
    3.4 力学性质
    3.5 电子结构
        3.5.1 能带结构
        3.5.2 态密度
        3.5.3 布居分析
        3.5.4 差分电荷密度
    3.6 热力学性质
    3.7 本章小结
第4章 NbSi₂氧化机制的研究
    4.1 引言
    4.2 NbSi₂(001)表面氧吸附的研究
        4.2.1 结构模型与计算方法
        4.2.2 结构稳定性
        4.2.3 吸附能
        4.2.4 电子结构
    4.3 体相NbSi₂内部氧化的研究
        4.3.1 结构模型与计算方法
        4.3.2 氧原子占位
        4.3.3 氧扩散
        4.3.4 电子结构
    4.4 本章小结
第5章 合金元素Ti、Zr和Hf对NbSi₂抗氧化性的影响
    5.1 引言
    5.2 结构模型与计算方法
    5.3 结构稳定性
    5.4 氧杂质形成能
    5.5 电子结构
        5.5.1 态密度
        5.5.2 布居分析
        5.5.3 差分电荷密度
    5.6 本章小结
第6章 结论
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果



本文编号：3933860