锆铪及锆氢二元体系高温高压性质理论研究

发布时间：2017-08-13 22:29

  本文关键词：锆铪及锆氢二元体系高温高压性质理论研究

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【摘要】：锆(Zr)由于拥有耐腐蚀特性和较小的中子俘获截面,其合金广泛应用于航空航天工业和核工业中。本工作采用基于密度泛函(DFT)理论的第一性原理计算方法,研究了ZrHf合金的结构、力学性质和热力学性质；此外,计算了高压下ZrH2的晶体结构、电子结构、声子谱和热力学性质,为今后核工业中Zr基合金的设计和应用提供了理论数据。主要结论如下：一、研究了不同有序、无序结构下ZrHf合金的晶体结构、力学性质、声子谱、热力学性质和相稳定性。结果表明：ZrHf的有序或无序结构均可以稳定存在于合金中,且各个有序、无序结构之间几乎不会发生自发的相变；证明ZrHf合金的性质与原子的排布方式无关,其各种结构下的性质在数值上均接近Zr与Hf的算术平均数。二、研究了ε相Zrn2在高压下的理论性质,包括晶体结构、电子结构、声子谱和热力学性质。高压下Jahn-Teller效应对合金的影响更为强烈,导致合金在高压下会沿着c轴发生更大程度的压缩,并且这些经过压缩的结构均是稳定结构;同时,高压还使得ZrH2费米能级以下的电子产生了更强的轨道杂化,并严重影响了赝能隙；Zr和H特殊的振动性质使得热容不同于传统材料,在随温度的上升过程中,出现了“台阶”,并且在1000K的温度仍未达到热容的理论上限。
【关键词】：第一性原理 锆铪 锆氢 晶体结构 声子谱 热力学性质
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.414
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 Zr基合金的研究背景14-18
• 1.1.1 Zr的简介和应用14-15
• 1.1.2 ZrHf合金的研究现状和意义15-17
• 1.1.3 ZrH_2氢化物的研究现状和意义17-18
• 1.2 本论文的主要工作18-20
• 1.2.1 ZrHf合金结构、力学性质和热力学性质的第一性原理研究18-19
• 1.2.2 ZrH_2氢化物结构、电子结构和热力学性质的第一性原理研究19-20
• 第二章 第一性原理及计算方法介绍20-34
• 2.1 第一性原理及相关理论介绍20-24
• 2.1.1 第一性原理简介20-21
• 2.1.2 多体系统及绝热近似21-22
• 2.1.3 Hatree-Fock近似22
• 2.1.4 密度泛函理论22-24
• 2.2 力学性质计算方法介绍24-26
• 2.2.1 相关计算理论24-25
• 2.2.2 晶体弹性常数的计算方法25-26
• 2.3 声子及热力学性质计算方法介绍26-28
• 2.3.1 声子相关理论26-27
• 2.3.2 热力学性质的计算27-28
• 2.4 第一性原理计算软件和计算流程28-34
• 2.4.1 VASP软件包简介28-29
• 2.4.2 PHONOPY软件介绍29-30
• 2.4.3 晶体的第一性原理研究计算流程30-34
• 第三章 ZrHf合金的第一性原理计算34-48
• 3.1 引言34
• 3.2 模型和计算细节34-39
• 3.2.1 ZrHf合金的有序结构34-35
• 3.2.2 ZrHf合金的SQS模型35-38
• 3.2.3 ZrHf合金的计算参数和收敛性测试38-39
• 3.3 计算结果讨论39-46
• 3.3.1 ZrHf合金的结构和力学性质39-42
• 3.3.2 ZrHf合金的声子及热力学性质42-45
• 3.3.3 ZrHf合金的相稳定性45-46
• 3.4 本章小结46-48
• 第四章 锆的氢化物——ZrH_2的理论研究48-62
• 4.1 引言48
• 4.2 模型和计算细节48-52
• 4.2.1 ZrH_2的ε相48-49
• 4.2.2 ZrH_2的计算参数和收敛性测试49-52
• 4.3 计算结果讨论52-60
• 4.3.1 ZrH_2的高压结构52-55
• 4.3.2 ZrH_2的电子态密度55-56
• 4.3.3 ZrH_2的声子及热力学性质56-60
• 4.4 本章小结60-62
• 第五章 结论62-63
• 参考文献63-67
• 致谢67-68
• 研究成果及发表的学术论文68-69
• 导师简介69
• 作者简介69-70
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书70-71

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张新宇;马明臻;梁顺兴;张素红;刘日平;;新型锆合金设计与强韧化研究进展[J];燕山大学学报;2014年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 郑健;锆合金中的氢氦行为研究[D];中国科学技术大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 孙娜;ZrBe_2和ZrZn_2(HfZn_2)的结构及物理性质的第一性原理研究[D];燕山大学;2014年

2 杨文强;固体氧化物燃料电池La_(1-x)Sr_xCo_(1-y)Fe_yO_(3-δ)阴极性能改进的第一性原理研究[D];中国科学技术大学;2015年

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本文编号：669378