基于高通量第一性原理对Cu晶界掺杂效应的研究

发布时间：2025-01-15 19:12

　　材料中广泛存在的晶界会对其性质会产生重要的影响。晶界偏析工程的目标是通过往材料晶界上引入掺杂,改变晶界的结构和化学组成,实现对材料微观结构和性质的调控。但晶界偏析工程涉及的合金体系庞大,已报道的研究结果离散,难以总结系统规律。此外,目前测试技术和大尺度模拟方法很难在电子-原子等微观尺度上研究晶界偏析问题,掺杂对晶界的影响机理还未被阐明。本文采用高通量第一性原理计算,以金属Cu的Σ5(310)晶界为研究对象,系统研究了不同类型元素对晶界的掺杂效应,获得的全面数据可以为实验遴选合适掺杂元素提供理论依据。研究了非金属元素的偏析能力以及对晶界性质产生的影响,发现非金属元素都倾向于偏析到材料的晶界,倾向于占据的位置与其原子半径相关。晶界能量随着非金属原子半径增加而降低。结合Rice-Wang脆化模型和第一性原理拉伸实验研究了掺杂对晶界强度的影响和机理,发现非金属元素与Cu之间的电子相互作用是造成晶界强化/脆化作用的关键因素。结果表明:B与Cu之间共价作用能使晶界拉伸强度增加1%,O与Cu之间强极性作用使拉伸强度下降12%。基于元素周期表电子结构分区,构建了s区、p区和d区金属元素掺杂的Cu晶界模型...

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【部分图文】：

图1-1材料中晶界和晶粒内部结构的体积分数与晶粒大小的关系

2晶粒之间的界面，叫晶界（Grainboundary）[5]。晶界的物理结构和化学性质，影响甚至决定着材料在工程应用中的诸多关键性能，比如：屈服强度、硬度、断裂韧性、延展性、抗蠕变能力、热稳定性、导电率、导热率、电磁性能等[3,5-11]。图1-1展示了材料的微观组成中，晶界和晶....

图1-2金属材料中屈服应力和晶粒大小关系

4图1-2金属材料中屈服应力和晶粒大小关系Figure1-2Schematicrepresentationofthevariationofyieldstressasafunctionofthegrainsizeinmetals.金属的延展性通常被定义为在拉伸应力作用下，通过延伸而....

图1-3纳米金属Cu及Cu基合金的失效应变和屈服强度关系[9]

5图1-3纳米金属Cu及Cu基合金的失效应变和屈服强度关系[9]Figure1-3TheRelationshipbetweenthestrain-to-failureandyieldstrengthfornanocrystallineCuandCu-basedalloys[9].....

图1-4金属和合金材料中常见的晶界结构

8第一性原理模拟，以Σ5晶界为研究对象，研究了Cu-Bi和Ni-Bi体系中单层、双层和三层结构的晶界结构的形成能，结果发现双层晶界结构的形成能最低，说明双层晶界结构最稳定。上面讨论的体系中，金属掺杂的含量相对较低，因此，形成的晶界结构处于有序的状态。当掺杂浓度进一步增加，晶界的有....

本文编号：4027731