OsmBn和RumBn化合物力學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、超硬材料可用作磨削切削刀具和硬質(zhì)涂層，已在工業(yè)實際生產(chǎn)中獲得了廣泛應(yīng)用。迄今為止，金剛石仍是最硬的材料。但金剛石具有熱不穩(wěn)定性，不能用于切削鐵金屬及其合金，大幅度限制了它的應(yīng)用。其他由硼、碳、氧、氮等輕質(zhì)元素組成的強(qiáng)共價鍵化合物(如立方氮化硼和BC2N等)雖然具有與金剛石可相媲美的硬度，但其高溫高壓的合成條件更為苛刻，致使其生產(chǎn)成本居高不下。
　　采用過渡金屬與硼、碳、氧、氮等元素在較低的溫度或壓力條件下形成具有強(qiáng)共價性的化合物已

2、成為當(dāng)前合成設(shè)計硬度高于40GPa新型超硬材料的一種新思路。在Os-B體系中，OsB2盡管作為超硬候選材料被廣為研究，但最近的實驗和理論研究表明，OsB2的硬度表現(xiàn)出明顯的各向異性，并不適于用作超硬材料。更高B含量的Os-B化合物因可能存在較強(qiáng)的B-B共價鍵作用應(yīng)具有更高的硬度，但至今這些化合物的晶體結(jié)構(gòu)信息依舊匱乏。Os-B體系的相圖仍有待完善，是否存在更高B含量的Os-B化合物仍是一個較具爭議的話題。
　　本文采用基于遺傳算法

3、的從頭算進(jìn)化結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，對Os-B體系進(jìn)行了系統(tǒng)的晶體結(jié)構(gòu)搜索，并首次預(yù)測出兩種以前研究從未報道的 Os2B5與 OsB3的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其空間群分別為 R3m和 P-6m2。Os2B5與 OsB3的計算生成熱為負(fù)值，表明存在可以通過 Os與 B化學(xué)合成的可能性。利用第一性原理總能計算方法，對 Os-B化合物(包括OsB，Os2B3，OsB2，Os2B5與OsB3)結(jié)構(gòu)施加不同的應(yīng)變，計算獲得了體系的彈性常數(shù)cij與其他力學(xué)參數(shù)，如體模量

4、B，剪切模量G，楊氏模量E，泊松比ν，并與現(xiàn)有的實驗測定數(shù)據(jù)或理論計算結(jié)果吻合較好。進(jìn)一步的硬度H計算結(jié)果表明，隨著B含量的升高，OsmBn的硬度逐漸升高。Os2B5和OsB3硬度值分別高達(dá)34.4 GPa與36.9 GPa，幾乎可視為潛在的超硬材料。系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)分析表明：高B含量的Os-B化合物(如Os2B5，OsB3)表現(xiàn)出良好的超硬性能，主要是由于在其結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)較強(qiáng)的B-B共價鍵，并且同時沿某些晶軸方向上的Os-Os金屬鍵被具有

5、共價鍵合特性的Os-B鍵所替代；而較低B含量的Os-B化合物(如OsB，Os2B3)盡管具有更高的體模量和剪切模量，但其結(jié)構(gòu)中存在更多的Os-Os金屬鍵，不利于體系硬度的提高，其力學(xué)行為更類似于金屬Os單質(zhì)。
　　考慮到Ru-B與Os-B體系結(jié)構(gòu)的相似性，本文進(jìn)一步采用相同的結(jié)構(gòu)模型和計算方法對RumBn化合物的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究。計算結(jié)果表明，與具有相同結(jié)構(gòu)的OsmBn化合物相比，RumBn的cij，B，G，E和ν的計算值都有不