学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

Zr2Si与Zr1-xNbx电子及弹性性质的第一性原理研究

作　者: 黄筱淳
导　师: 刘日平；张新宇
学　校: 燕山大学
专　业: 材料学
关键词: 第一性原理计算 弹性常数 电子性质 “超级金属” 人造骨骼
分类号: TG146.414
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 1次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


锆及锆合金因其独特的性能和潜在的应用价值在很多领域受到了人们的关注。其中Zr2Si合金因具有较小的密度而成为一种潜在的航空材料；而Zr1-xNbx合金凭借其优良的强度和韧性可作为人造骨骼材料。在本论文中，我们通过第一性原理计算方法对Zr2Si合金在压力下的结构性质，弹性性质以及电子性质进行了研究。形成焓，电子态密度以及电荷密度分布的计算结果表明，Zr2Si是导体，其内部同时含有共价键，离子键和金属键；其稳定性随外界压力的增加而增加。通过对不同压力下弹性常数的计算发现，当压力达15GP时，体系由常压下的脆性转变为塑性；证实了Zr2Si具有各向异性的弹性可压缩性。常压下沿c轴容易压缩，而当压力达到3.5GPa时，转变为沿a轴容易压缩，这一奇异的现象与体系的电子在p轨道上的分布有关。我们使用有序建模方法和无序建模方法研究了Zr1-xNbx合金的弹性性质和电子性质。计算结果表明，第一性原理计算方法会严重的低估Zr1-xNbx合金的C44，这是因为Zr1-xNbx具有特殊的电子态密度和费米面的形状。此外，还发现，无序建模方法获得的C44明显的优于有序建模方法获得的C44。与有序方法相比，无序方法不仅反映了实验上Zr1-xNbx合金的C44随x由0.75减小到0.5而增加的过程，还反映了当x=0.25时，由于Zr0.75Nb0.25结构稳定性的降低而导致的Zr0.75Nb0.25的C44下降的过程。基于对弹性常数的准确计算，我们发现Zr0.75Nb0.25合金在[010]方向的杨氏模量与人体骨骼的杨氏模量的数值几乎一样。这部分工作对“超级金属”领域和人造骨骼材料领域都有重要的影响。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第1章 绪论  8-17
  1.1 单质锆的物理化学性质  8
  1.2 锆的主要化合物及其应用  8-9
  1.3 锆合金的种类及其应用  9-10
  1.4 航空航天材料  10-12
    1.4.1 航空航天飞行器的发展史  10
    1.4.2 航天飞行器不同构件对材料性能的要求  10-12
  1.5 人造骨骼材料  12-16
    1.5.1 塑料人造骨骼材料  12-13
    1.5.2 羟基磷灰石人造骨骼材料  13-14
    1.5.3 超级金属人造骨骼材料  14-16
  1.6 本文的研究内容及意义  16-17
第2章 第一性原理计算方法与理论基础  17-31
  2.1 从头计算法  17-20
    2.1.1 非相对论近似  18
    2.1.2 Born-Oppenheimer 近似（绝热近似）  18-19
    2.1.3 单电子近似（轨道近似）  19-20
  2.2 密度泛函理论（DFT）  20-28
    2.2.1 Thomas-Fermi 模型  20-21
    2.2.2 Hohenberg-Kohn 定理  21-23
    2.2.3 Kohn-Sham 方程  23
    2.2.4 交换关联泛函  23-25
    2.2.5 赝势  25-28
  2.3 常用的第一性原理计算软件  28-31
    2.3.1 第一性原理计算框架  28-29
    2.3.2 常用的第一性原理计算软件  29-30
    2.3.3 CASTEP 模块计算方法简介  30-31
第3章 Zr_2Si 合金在压力下的结构稳定性、电子性质以及弹性性质的研究  31-47
  3.1 计算方法  31-32
  3.2 结果与讨论  32-46
    3.2.1 Zr_2Si 在常压下的结构参数与高压相稳定性  32-34
    3.2.2 Zr_2Si 的弹性常数  34-38
    3.2.3 Zr_2Si 的德拜温度  38-39
    3.2.4 压力作用下 Zr_2Si 的弹性常数及力学性能的变化  39-41
    3.2.5 Zr_2Si 的电子结构  41-44
    3.2.6 Zr_2Si 的化学键组成  44-46
  3.3 本章小结  46-47
第4章 超级金属 Zr_(1-x)Nb_x弹性常数 C_(44)被低估的第一性原理研究  47-57
  4.1 计算方法  47-50
  4.2 结果与讨论  50-56
    4.2.1 弹性常数  50-52
    4.2.2 Zr_(1-x)Nb_x的 C_(44)被低估的物理原因  52-54
    4.2.3 SQS 方法优于 Supercell 方法  54-55
    4.2.4 Zr_(1-x)Nb_x合金的杨氏模量  55-56
  4.3 本章小结  56-57
结论  57-58
参考文献  58-63
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  63
攻读硕士学位期间发表的论文  63-64
致谢  64-65
作者简介  65

相似论文

  1. 锂离子电池电极材料黑磷与LiMn2O4的第一性原理研究,TM912
  2. 固体氧化物燃料电池负极材料Srn+1TinO3n+1（n=1,2,3,∞）的第一性原理研究,TM911.4
  3. 掺Eu的α-SiAlON荧光材料的第一性原理研究,TB34
  4. WnC0,±（n=1-6）团簇的密度泛函理论研究,O641.1
  5. SrxPb1-xRuO3（0≤x≤1）铁磁性的第一性原理研究,O482.5
  6. 锂离子电池正极材料LiFePO4及其掺杂改性的第一性原理研究,TM912
  7. 金属原子Cu，Ag，Au吸附于CeO2（111）和（110）面的第一性原理研究,TM911.4
  8. Mn，Pr，Sn和Zr掺杂对CeO2基固体电解质性能影响的第一性原理研究,TM911.4
  9. 潜在锂离子电池负极材料石墨烯的第一性原理研究,TM912
  10. MAun(n=2-8,M=Al,Si,P,S,Cl,Ar)团簇结构演变和电子特性理论研究,O561
  11. 砷化硼及砷化铟团簇结构、稳定性和电子性质的理论研究,TN304.2
  12. 硼团簇及锂、铝原子掺杂硼团簇的密度泛函理论研究,O469
  13. 钼团簇及氮化钼团簇几何结构和电子性质的密度泛函理论研究,O561
  14. 纳米PbTe高压下热电性能研究,O469
  15. X/Graphene（X=H，Fe，Co）体系的磁性和电子性质,TB383.1
  16. 锂离子电池正极材料LiMPO_4（M=Mn，Fe）的第一性原理研究,TM912
  17. 掺杂LiFePO_4第一性原理计算和超交换作用研究,TM912
  18. 瓦楞形状对瓦楞纸板力学性能的影响分析,TB484.1
  19. Bi_2Se_3晶体p-型掺杂的第一性计算及其制备研究,TN304.2
  20. 第一原理研究六方氮化硼不同结构的稳定性,O613.81
  21. 新型锂离子电池负极材料,TM912

中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 稀有金属及其合金 > 难熔稀有金属（高温熔融金属） > 锆、铪
© 2012 www.xueweilunwen.com