氢致Ni-Al系金属间化合物脆性的第一性原理研究

发布时间：2017-10-05 02:03

  本文关键词：氢致Ni-Al系金属间化合物脆性的第一性原理研究

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【摘要】：Ni-Al系金属间化合物因其具有熔点高、抗氧化性和导热性能好等优点，，作为一种新颖的高温结构材料，被广泛地应用。但因其具有室温脆性，严重制约其服役寿命和应用领域。本文采用第一性原理计算的方法对Ni-Al系金属间化合物的晶体结构、形成能、态密度、布居数和弹性常数进行了计算，实现了对其电子结构和力学性质的表征；然后研究了H原子掺杂对NiAl和Ni3Al晶体结构、电子结构和力学性质的影响，以期揭示其室温脆性机理。 Ni-Al系五种金属间化合物的理论计算晶格常数与实验值和其他理论计算值相吻合，计算结果具有较高的可靠性；五种金属间化合物的形成能均为负值，是热力学稳定的，其稳定性排序为：NiAlNi2Al3Ni5Al3NiAl3Ni3Al；基于态密度分析可知，五种化合物费米能级处的态密度贡献都主要来自Ni的3d电子和Al的3p电子，且Al的3s和3p轨道与Ni的3d轨道发生杂化；Ni3Al、NiAl、Ni5Al3、NiAl3和Ni2Al3在费米能级处态密度的具体峰值为4.51eV、1.11eV、3.84eV、1.65eV、1.19eV，稳定性顺序与形成能计算结果相吻合；基于布居数分析可知，Al失去电子，Ni得到电子，Ni-Al形成较强的共价键且居于主导地位。五种化合物均为机械稳定的；NiAl的G/B值为0.253，延性最好；Ni2Al3的G/B值为0.645，表现为脆性。Ni5Al3和Ni2Al3的杨氏模量分别为210GPa和209GPa，可预测其具有较高的硬度。 H掺杂NiAl和Ni3Al后，优先占据NiAl中富Al的八面体间隙和Ni3Al中Ni原子构成的八面体间隙；H掺杂Ni3Al后，其G/B均大于0.5，表现为脆性，H掺杂NiAl后，其G/B值有所增加，与NiAl相比脆性增加，即H掺杂导致了两种化合物的脆性。基于态密度分析，得知H的1s轨道与Ni的3d轨道发成杂化。由布居数分析可知，H得到电子，其近邻的Ni得电子能力减弱；H与近邻Ni形成共价键，近邻Ni原子之间形成Ni-Ni反键。H掺杂导致了NiAl和Ni3Al中Ni-Ni反键的形成，因此Ni-Ni键在低应力条件下就会发生断裂，Ni-Ni反键所在晶面成为解理面，NiAl和Ni3Al的脆性增加。
【关键词】：Ni-Al金属间化合物 力学性质 电子结构 第一性原理
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.15
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 本文的研究背景10
• 1.2 Ni-Al 系金属间化合物的结构和性能10-13
• 1.2.1 Ni-Al 系金属间化合物的结构与应用10-12
• 1.2.2 Ni-Al 系金属间化合物的室温脆性12-13
• 1.3 计算材料学及计算模拟软件简介13-15
• 1.3.1 计算材料学在金属间化合物研究中的应用13-14
• 1.3.2 计算软件 Materials Studio 及 CASTEP 的简介14-15
• 1.4 本文研究目的及主要内容15-16
• 第2章 第一性原理计算和密度泛函理论16-23
• 2.1 第一性原理概述16
• 2.2 薛定谔方程16-17
• 2.3 密度泛函理论17-20
• 2.3.1 引言17-18
• 2.3.2 Thomas-Fermi 模型18-19
• 2.3.3 Hohenberg-Kohn 定理19
• 2.3.4 Kohn-Sham 方程19-20
• 2.4 交换-关联能泛函20-23
• 2.4.1 局域密度近似(LDA)20-21
• 2.4.2 广义梯度近似(GGA)21-22
• 2.4.3 赝势22-23
• 第3章 Ni-Al 系金属间化合物的第一性原理计算23-37
• 3.1 引言23
• 3.2 Ni-Al 系金属间化合物的晶体结构模型及参数设置23-25
• 3.2.1 Ni-Al 系金属间化合物的晶体结构模型23-25
• 3.2.2 相关参数设置25
• 3.3 Ni-Al 系金属间化合物晶体的电子结构分析25-33
• 3.3.1 晶格常数和形成能25-27
• 3.3.2 Ni-Al 系金属间化合物的态密度分析27-30
• 3.3.3 Ni-Al 系金属间化合物的轨道电子和键布居数分析30-33
• 3.4 Ni-Al 系金属间化合物的力学性质33-36
• 3.5 本章小结36-37
• 第4章 Ni_3Al 和 NiAl 室温脆性的第一性原理研究37-52
• 4.1 引言37
• 4.2 计算模型及计算参数37-39
• 4.3 电子结构的计算39-50
• 4.3.1 H 在 Ni_3Al 和 NiAl 体系中的占位39-40
• 4.3.2 H 掺杂 Ni_3Al 和 NiAl 的态密度分析40-45
• 4.3.3 H 掺杂 Ni_3Al 和 NiAl 的轨道电荷和键布居数分析45-50
• 4.4 H 掺杂 Ni_3Al 和 NiAl 金属间化合物的力学性质50-51
• 4.5 本章小结51-52
• 结论52-53
• 参考文献53-58
• 致谢58

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 王晓明;朱祖昌;;Ni_3Al有序金属间化合物的主要特性和应用[J];热处理;2010年03期

2 陈业新;;金属间化合物的环境氢脆[J];上海大学学报(自然科学版);2011年04期

3 周惦武;刘金水;杨峰;李贵发;陈律;彭平;;AL-MG合金晶粒细化及电子机制研究[J];特种铸造及有色合金;2006年02期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 吕柏林;镍基合金及镍铝金属间化合物的结构与性能的第一性原理研究[D];大连理工大学;2012年

本文编号：974110