锆基非晶合金耐腐蚀性能的电子理论研究

发布时间：2017-04-18 14:09

  本文关键词：锆基非晶合金耐腐蚀性能的电子理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：非晶合金的原子在三维空间中呈长程无序、短程有序的混乱排列,使其具有许多晶态材料不具备的物理和化学性质,如低杨氏模量、良好的抗腐蚀能力,这为其在生物材料中的应用提供重要基础。耐腐蚀性是评价生物材料的重要指标,国内外学者们对非晶合金腐蚀行为的关注也越来越多。微合金化能够对非晶合金的结构与性能产生重要影响。因而,本文以Zr56Al16Co28非晶合金为研究对象,考察了添加合金元素Y、Nb对母合金在HCl、NaOH、NaCl及Hank’s溶液中耐蚀性能的影响。用X-射线衍射、差示扫描量热分析(DSC)表征了母合金的结构,电化学方法测定母合金在各溶液中的塔菲尔曲线(Tafel),发现适量Y、Nb元素的添加能提高Zr56Al16Co28非晶合金的耐蚀性能,主要表现为自腐蚀电流密度显著降低。扫描电子显微镜(SEM)观察腐蚀后表面形貌,能谱仪分析腐蚀后的非晶合金表面保护膜发现添加合金元素后其成分发生改变。X-射线光电子能谱分析进一步确认了腐蚀后合金表面保护膜中富Zr、富Al氧化物含量的改变。此外,采用非晶合金的准晶态团簇结构模型理论,通过对合金晶化产物分析及参考相关研究文献得出Zr56Al16Co28非晶合金由类似于ZrCo、Zr6Al2Co、ZrAlCo相的α准晶态团簇、β准晶态团簇及γ准晶态团簇组成的结构模型,在此基础上,利用Materials Studio软件中的CASTEP模块分别计算了Y、Nb原子杂化准晶态团簇的局部能态密度(PDOS)及能带,并用该计算结果从理论上分析了Y、Nb元素的添加对Zr56Al16Co28非晶合金耐蚀性能影响的机理。发现添加Y元素的准晶态团簇中原子的核外电子分布,特别是Zr 3d、Al 2s和2p轨道的电子分布发生变化,而添加Nb元素的准晶态团簇中原子的核外电子分布,特别是Zr 3s、3p轨道的电子分布发生变化。团簇中原子核外电子的运动方式发生变化,致使Zr、Al原子活性大大增大,这样有利于非晶合金表面富Zr、富Al的致密表面保护膜的快速形成,从而提高了Zr56Al16Co28非晶合金的耐蚀性能。本文的研究结果对非晶合金的理论研究的发展有促进作用,为设计出耐蚀性能优异的非晶合金提供理论指导,对进一步挖掘非晶合金在生物材料中应用的潜能也具有十分重要的意义。
【关键词】：锆基非晶合金 腐蚀 电子理论 第一性原理
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG139.8
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 非晶合金的发展历史及研究现状11-14
• 1.1.1 非晶合金的发展历史11-12
• 1.1.2 非晶合金的研究现状12-14
• 1.2 非晶合金的微合金化14-17
• 1.2.1 微合金化技术14-15
• 1.2.2 非晶合金化的研究现状15-17
• 1.3 非晶合金的腐蚀性研究17-20
• 1.3.1 金属腐蚀理论17-18
• 1.3.2 电化学腐蚀18-19
• 1.3.3 金属钝化理论19-20
• 1.4 微合金化对非晶合金耐蚀性影响的研究现状20-21
• 1.5 本文的研究目的及内容21-23
• 第2章 实验方法与计算理论基础23-35
• 2.1 合金样品的制备23-25
• 2.1.1 非晶薄带的表征24
• 2.1.2 X射线衍射分析(XRD)24
• 2.1.3 差示扫描量热分析(DSC)24-25
• 2.1.4 X射线光电子能谱分析（XPS）25
• 2.2 非晶合金的腐蚀性试验25-27
• 2.2.1 腐蚀溶液的配置25-26
• 2.2.2 电化学极化曲线测定26
• 2.2.3 腐蚀后样品的形貌及成分分析26-27
• 2.3 计算理论基础27-34
• 2.3.1 波函数与薛定谔方程27-28
• 2.3.2 绝热近似和单电子近似28-29
• 2.3.3 密度泛函理论（DFT）29-31
• 2.3.4 局域密度近似和广义梯度近似31-32
• 2.3.5 能带计算32-34
• 2.4 计算原理34-35
• 第3章 Y对Zr-Co-Al非晶合金腐蚀行为的影响35-45
• 3.1 引言35
• 3.2 实验方案35
• 3.3 实验结果与分析35-44
• 3.3.1 XRD图谱分析35-36
• 3.3.2 电化学分析36-40
• 3.3.3 SEM和EDS分析40-41
• 3.3.4 XPS分析41-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第4章 Nb对Zr-Co-Al非晶合金腐蚀行为的影响45-55
• 4.1 引言45
• 4.2 实验方案45
• 4.3 实验结果与分析45-54
• 4.3.1 XRD图谱分析45-46
• 4.3.2 电化学、SEM及EDS分析46-52
• 4.3.3 XPS分析52-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第5章 Zr基非晶耐腐蚀性能的电子理论研究55-67
• 5.1 引言55
• 5.2 计算模型55-58
• 5.3 取代位置58-60
• 5.3.1 Y掺杂Zr_(56)Al_(16)Co_(28)58-59
• 5.3.2 Nb掺杂Zr_(56)Al_(16)Co_(28)59-60
• 5.4 计算结果与讨论60-66
• 5.4.1 Y掺杂Zr_(56)Al_(16)Co_(28)60-63
• 5.4.2 Nb掺杂Zr_(56)Al_(16)Co_(28)63-66
• 5.5 本章小结66-67
• 结论67-68
• 参考文献68-74
• 致谢74-75
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录75

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本文编号：315059