第一性原理探索新型超硬材料

【摘要】维氏硬度值在40GPa以上的材料一般称为超硬材料。超硬材料通常具有非常优异的物理性质和化学性质，包括高熔点、高硬度、耐腐蚀以及耐摩擦磨损等。优异的性质使得超硬材料具有很广泛的用途，它们可以作为磨料、切削工具、刨光工具以及保护涂层等。因此，超硬材料在机械加工、冶金、电子和航空航天等现代高科技领域中扮演着举足轻重的角色。在所有的已知超硬材料中，金刚石的硬度目前排在第一位，其硬度在96GPa左右，具有广泛的应用。但是，金刚石存在着高温不稳定以及容易和含铁合金发生化学反应等缺点，使得它在很多领域的应用受到限制。立方氮化硼作为第二硬的超硬材料可以在某些应用方面弥补金刚石的不足，可是它的硬度比金刚石小许多。因此，寻找综合性能优异的新型超硬材料具有十分重要的意义，也非常具有挑战性。本文采用第一性原理计算方法来探索新的超硬材料，主要研究体系为硼碳化合物BxCy体系和铼的碳氮三元合金体系。通过理论模型结合计算结果来分析材料的生成焓、弹性常量、能带、态密度、应力应变关系、Mulliken键布居数、硬度以及差分电荷密度等，从而来理解材料的稳定性、电学性质、力学性能和预言新的超硬材料。本文主要的研究内容有以下两个方面：1．BxCy体系具有潜在的超硬材料结构。我们通过以类金刚石结构、类C20结构和类B15结构构造一系列硼碳化合物BxCy结构模型，然后分析这些结构的稳定性、电学性质以及力学性能。在硼元素浓度比较低的区域内，我们发现类金刚石的BxCy化合物比较稳定，并且是潜在的导电超硬材料。在硼元素浓度的中间区域，类C20结构的B8C12被预言是一种稳定的形成焓相对较低的潜在导电超硬材料，其硬度高达58.6GPa，期望能够在实验上被合成。在高硼元素浓度的区域，类B15结构的BxCy比较稳定，并预言B14C也是潜在的超硬材料。利用第一性原理计算的结构和电子特性参数结合硬度的微观理论模型，分析随着硼元素浓度变化时不同结构构型的BxCy的维氏硬度，发现随着硼元素浓度的增加，BxCy的硬度具有下降的趋势。通过对结构进行键布居数以及差分电荷密度等分析发现，在B-C体系中对硬度具有重要影响的因素是键的价电子密度、键长和键的方向性等，而金属效应对硬度的影响比较微弱，可以被忽略。2．在含铼的体系中，本文发现ReN2的硬度并没有预期的高，ReC2很难在实验上被合成，而新预言的ReCN化合物被发现不仅具有较高的硬度，而且很容易被合成。利用第一性原理计算，我们发现没有碳碳键或氮氮键的六方P63mc（HI）和三方P3m1（HII）这两种层状堆积相的ReCN结构是热力学最稳定的两种结构，并且都满足力学的稳定性标准。由于结构的相似性，HI和HII相的ReCN的形成焓和力学性质十分相近。通过对相同结构的ReN2,ReC2以及ReCN的弹性常量、抗体积压缩能力、硬度以及理想拉伸和剪切强度等进行比较，发现ReCN的具有最大的体积、剪切和杨氏模量，最优异的理想拉伸和剪切强度以及最高的硬度，而且在压力下体积最难被压缩，表明ReCN具有最优异的力学性能，是潜在的超难压缩材料。此外，通过分析态密度和能带结构，发现HI和HII相的ReCN分别为间接半导体和直接半导体材料（能隙分别为0.67eV和0.73eV）。加上超过40GPa的高硬度，综合表明HI相和HII相的ReCN是一种潜在的新功能超硬材料，具有十分重要的潜在应用价值。
【作者】黎明明；
【导师】郑伟涛；樊晓峰；
【作者基本信息】吉林大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】超硬材料；密度泛函理论；第一性原理；BxCy；ReCN；

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