超硬材料IrN2和BC5力學性質(zhì)的第一性原理計算.pdf

1、隨著材料科學的發(fā)展,超硬材料的研究已經(jīng)成為當前熱點之一。超硬材料具有高彈性模量和硬度,有較好的熱傳導性、抗劃性、表面耐久力和穩(wěn)定性等優(yōu)異的性質(zhì),因而在工業(yè)各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。當前研究超硬材料的方法有二:過渡金屬的C、B、N、O共價化合物;由C、B、N、O等輕元素組成的強共價鍵作用化合物。通過這兩種方法以尋求可與金剛石和立方氮化硼相比擬的新型超硬材料。
　　 本文首先采用平面波贗勢密度泛函理論方法計算了IrN2白鐵礦相的晶

2、體結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì),同時分析了該材料的電子結(jié)構(gòu),所得彈性常數(shù)滿足力學穩(wěn)定性標準,與其他相關(guān)理論計算值和實驗值符合較好。在零壓下計算所得白鐵礦相IrN2體模量為400GPa,可以間接預測白鐵礦相的IrN2是一種超硬結(jié)構(gòu),同時計算得到的各向異性參數(shù)說明白鐵礦相IrN2在研究壓力范圍內(nèi)呈現(xiàn)各向異性,具有良好的延性和金屬性。
　　 再次,使用同樣的計算理論對0～60GPa靜水壓下BC5六角晶系P3m1和四方晶系I-4m2結(jié)構(gòu)的平衡態(tài)晶格常

3、數(shù)、彈性常數(shù)、彈性模量、彈性各向異性以及表征中心力和非中心力的泊松比與Cauchy擾動進行研究。所得結(jié)果顯示,BC5的兩種結(jié)構(gòu)在高壓下是穩(wěn)定的,以及不可壓縮性隨著壓強的增加而增強。通過對各向異性參數(shù)分析可知,壓力的增加改變了P3m1結(jié)構(gòu)的各向異性,使得其壓縮波各向異性降低,剪切波的各向異性有所增強。通過對硬度的模擬計算,得到與實驗結(jié)果相一致的結(jié)論。在對平衡結(jié)構(gòu)和硬度的理論研究中無法對兩種結(jié)果的不可壓縮性進行比較,只有楊氏模量顯示I-4m

4、2結(jié)構(gòu)的不可壓縮性要高于P3m1結(jié)構(gòu)。BC5的泊松比與Cauchy擾動隨壓強的變化說明原子間相互作用力為非中心力。另外,對其電子結(jié)構(gòu)也進行了計算,由計算結(jié)果可知,BC5存在一個較寬的帶隙,兩種原子間有較強的共價雜化,材料的性質(zhì)主要由B的2p1和C的2p2態(tài)電子共同決定。與其他BC化合物有明顯的不同,成為可能在高溫條件下應用的潛在的超硬材料。同時發(fā)現(xiàn)壓力對材料的帶隙和費米能級附近的態(tài)密度幾乎沒有影響,只引起微小的漂移,可以進一步推斷材料在