Ir/SiC界面结合力、稳定性和电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论（DFT）第一性原理研究了Ir(111)/SiC(111)界面。在考虑不同堆垛位置和表面封端的基础上,共研究了6种不同的界面构型。结果表明：具有9层原子层的Ir(111)表面构型表现体相材料的特征,而12层原子层的SiC(111)表面构型能体现体相SiC的性能。粘附功和界面能结果表明,C封端顶位堆垛（C-TS）和Si封端中心位堆垛（Si-CS）界面构型具有最大的粘附功,分别为6.35和6.23 J/m²,是最稳定的构型;弛豫后的界面能分别为0.07和0.10 J/m²。电子结构分析表明：C-TS界面处具有离子特性,而Si-CS界面处具有共价键特性。C-TS和Si-CS界面的结合强度和稳定性归因于Ir-d与C-p,Si-p轨道之间的杂化。与C-TS界面相比,Si-CS界面第2层原子与界面Ir原子的相互作用更大。     

合金元素在NbC/fcc-Fe界面的偏析行为和硼的影响

基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法,研究了Si、Ni、Mn、Cr、Mo在NbC/fcc-Fe界面的偏析行为,以及B对合金元素界面偏析行为的影响。结果表明,Cr和Mo可以稳定存在于界面和NbC中; Mo 更倾向于在界面和 NbC 中偏析; Ni和Mn在界面上有轻微的偏析倾向。另外,Mo 容易偏析到 NbC 中形成复合碳化物。当Mo/Nb含量比小于2/3时,(Nb, Mo)C复合碳化物更稳定,结合能更大,这应该与Mo和C、Fe之间的强电子相互作用有关。当 B 掺杂到界面时, Mo 和 Cr 向界面偏析的趋势被抑制。特别是B抑制了界面处Mo的偏析,从而提高了材料的耐蚀性。此外,B可使Ni、Mn趋于均匀分布在基体中。     

金刚石/铜（银、碳化钛）界面性质的第一性原理计算

采用第一性原理计算的方法研究金刚石/铜、金刚石/银、金刚石/碳化钛3种界面的结构、电子结构和传热。结果表明:金刚石/碳化钛的界面结构最为稳定,界面间距（1.990 ?）最小,界面黏附功（5.578 J/m2）最大,结合强度最高。电子态密度、马利肯布居分析、差分电荷密度、径向分布函数的结果表明金刚石/碳化钛存在较多的电荷转移和较强键合作用。 声子态密度的计算结果表明金刚石/碳化钛的界面热阻较低。      

锆合金中氢化物的结构和弹性性能: 结合第一性原理计算和实验

采用第一性原理计算和实验方法研究了α-Zr及其氢化物的结构和弹性性能。考虑到所有可能的H-原子构型,构建了不同相的氢化物模型。结果表明,γ、δ和ε氢化物的稳定结构分别为P4₂/mmc、P4₂/nnm和I4/mmm。计算结果表明,ε氢化物的生成焓最低,并提出了γ→δ→ε的相变顺序。与α-Zr相比,氢化物的c轴晶格常数变小,γ、δ和ε单位胞的膨胀体积分别为12.1%、14.8%和17.9%。3种氢化物的计算弹性模量(E)均低于α-Zr,但弹性各向异性均高于α-Zr。通过纳米压痕实验分析了α-Zr基体和δ氢化物的弹性性能,结果表明,α-Zr基体和δ氢化物的E分别为116.88和111.01 GPa。因此,在氢化物/基体界面的氢化物侧容易发生应力集中,氢化物容易成为裂纹源,导致锆合金发生脆性断裂。     

合金化元素对W-Cu体系多类界面特征影响的第一性原理计算

基于第一性原理界面模型对W-Cu复合材料体系中W/Cu相界、W晶界和Cu晶界的溶质偏聚行为进行了系列计算分析,定量化研究了W-Cu体系中多类界面的键合特征和Sc、Ti、Y、In等多种合金化元素的界面偏聚特点。结合W-Cu体系的偏聚能和电子结构计算,揭示了W-Cu体系中同种合金化元素在晶界偏聚和相界偏聚过程中可能存在的显著差异及其微观机理。通过W-Y和W-Sc体系中合金化元素添加结果的对比分析,阐述了强偏聚元素与界面稳定性之间的关联。进一步,结合晶界偏聚能、相界偏聚能、铜基固溶体形成能等计算,提出了W-Cu复合材料体系筛选溶质元素的基本判据,从原子尺度上为研究多相复合体系的合金化元素优选策略提供了普适性分析方法,同时为高性能W-Cu基复合材料的研发提供了新的设计思路。     

基于第一性原理揭示活性元素铪对热障涂层关键界面的强化机理

本文总结回顾作者近年来从第一性原理出发,以应用广泛的高温热障涂层中γ-Ni(Al)/α-Al2O3关键界面为基础,通过建立合理的热力学模型,结合电子密度泛函计算,针对界面结合强度与温度、原子化学配比和活度等的相关性所开展的一系列理论研究实践.结果表明在感兴趣的温度区间内(1300～1600K),界面平衡相为富Al相,但靠近理想化学配比相的相界;富Al相界面的结合强度较高,约3倍于理想化学配比相界面的结合强度.杂质S可向界面强烈富集,并严重削弱界面强度的60%～70%;活性元素Hf具有在基体中有效钉扎S、直接参与界面成键和在界面处置换S的3种界面强化效应.     

第一性原理研究压力对γ″-Ni_3Nb电子结构和力学性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究压力对γ″-Ni3Nb电子结构和力学性能的影响,进一步分析了Ni3Nb的态密度和电荷布居,从原子角度解释压力对Ni3Nb性能的影响。结果表明,随着压力的增大,晶胞体积变小,Ni3Nb的综合力学性能提高。Ni原子与Nb原子间的共价键随压力的增大而增强,当压力达到50 GPa时,Ni3Nb仍是稳定的,没有发生相变。     

Ni(001)/Ni_3Nb(001)面界面性质的第一性原理研究(英文)

采用第一性原理赝势平面波的方法研究Ni(001)、Ni3Nb(001)表面和Ni/Ni3Nb(001)界面。计算界面终端为Ni或Ni+Nb,堆积方式为顶部位置或空心位置这4种界面模型的粘附功、稳定性及电子结构。结果表明:Ni(001)和Ni3Nb(001)表面具有8个原子层时展现出较好的体相似性;以Ni+Nb为界面终端,堆积方式为空心位置的界面模型具有最大的结合强度和临界裂纹扩展应力,且具有最好的热稳定性。该模型界面处的Ni原子和Nb原子之间是共价键,这主要是由Nb 4d和Ni 3d轨道的电子贡献的。比较Ni/Ni3Nb(001)界面和Ni/Ni3Al(001)界面的性质可知,前者的热稳定性比后者的差,且更难形成界面,但是Ni/Ni3Nb(001)界面的形成能改善镍基合金的力学性能。     

Pt-Zr合金在高氧氛围下氧化机制的 第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛涵理论方法从点阵参数、单位键长、电子结构等几个方面研究Pt-Zr固溶体在高氧氛围下的氧化机制.结果发现,在Pt-Zr固溶体的氧化过程中,固溶体的点阵参数发生显著的变化,最终α轴的膨胀要大于b、c两轴的膨胀.从电子结构分析,由于Zr的氧化性强于Pt,所以主要是Zr的4d电子轨道上电子与O的2p轨道上的电子成键结合形成Zr的氧化物,而Pt在整个氧化过程中只是起到中介桥梁的作用,计算结果与实验现象是比较吻合的.     

基于第一性原理的涂层WC/α-Ti界面结合能、稳定性及电子结构的研究

运用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对WC/α-Ti界面性能进行了研究.研究内容包括:界面结合能、界面稳定性、界面电子结构及界面结合机制.结果 表明:WC(001)与α-Ti(001)各自拥有较小的表面能,且两者之间错配度较小,y角也互相一致,故建立了WC(001)/α-Ti(001)界面;其次考虑到α-Ti(001...     

First-Principles Study of Electronic Structure of Orthorhombic SrHfO3 under Pressure

采用第一性原理研究了压力对正交相Sr Hf O3电子结构的影响。正交相Sr Hf O3在零压力时的结构参数与已有的实验值和理论计算值一致。当施加的压力小于20 GPa时,正交相Sr Hf O3的最小间接带隙在Z-Γ之间。当施加的压力大于20 GPa时,正交相Sr Hf O3的最小间接带隙在S-Γ之间。随着压力的增加,正交相Sr Hf O3的态密度向低能量方向移动。电荷密度分析表明,Hf-O之间主要以共价键结合,Sr-O之间主要以离子键结合。随着压力的增加,Hf-O共价键和Sr-O离子键增强,而Sr-Hf O3之间的离子交互作用减弱。     

5d过渡金属在Ni3Al中掺杂效应的第一性原理研究

5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir被广泛地应用于第4、5代镍基单晶高温合金中,但对于其机理却没有系统的理论研究。采用基于密度泛函理论(density functional theory)的第一性原理平面波超软赝势方法研究5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir掺杂镍基单晶高温合金γ′-Ni3Al相前后系统的晶格常数、形成热、结合能、态密度、差分电荷密度及电荷布局。计算结果表明:5d过渡金属Hf、Ta、W、Re、Ir掺杂Ni3Al系统后有优先占据Al原子位置的倾向,且与周围的Ni 3d电子和Al 3p电子发生强烈的轨道杂化,使电子被束缚,离域性变小,峰变窄;掺杂前系统中主要是Ni原子与最近的Al原子之间的共价键作用,掺杂后系统中主要是Ni原子与最近的X原子(Hf、Ta、W、Re、Ir)之间的共价键作用,且随原子序数的增大共价键逐渐增强。     

A first-principles study on interfacial properties of Ni(001)/Ni3Nb(001)

The Ni (001) surface, Ni₃Nb (001) surface and Ni (001)/Ni₃Nb (001) interfaces were studied using the first-principles pseudopotential plane-wave method. The adhesion work, thermal stability and electronic structure of Ni/Ni₃Nb (001) interfaces were calculated to expound the influence of atom termination and stacking sequence on the interface strength and stability. Simulated results indicate that Ni and Ni₃Nb (001) surface models with more than eight atomic layers exhibit bulk-like interior. The (Ni+Nb)-terminated interface with hollow site stacking has the largest cohesive strength and critical stress for crack propagation and the best thermal stability among the four models. This interfacial Ni and the first nearest neighbor Nb atoms form covalent bonds across the interface region, which are mainly contributed by Nb 4d and Ni 3d valence electrons. By comparison, the thermal stability of Ni/Ni₃Nb (001) interfaces is worse than Ni/Ni₃Al (001) interface, implying that the former is harder to form. But the Ni/Ni₃Nb interface can improve the mechanical properties of Ni-based superalloys.     

第一性原理研究碳化铬的电子结构、硬度和德拜温度

采用基于第一性原理的密度泛函理论,计算了3种碳化铬的晶格常数、电子结构、弹性模量、理论硬度和德拜温度等。结果表明,Cr3C2,Cr7C3和Cr23C6的化学键均为共价键、离子键和金属键组成的混合键;Cr3C2的热力学和力学稳定性均最高;Cr3C2,Cr7C3和Cr23C6的理论硬度值分别为20.9,18.3和13.2GPa,这与近期的实验研究结果十分相近。此外,本研究预测了3种碳化铬的徳拜温度。     

Mg17Al12、Al2Y及Al2Ca相稳定性与弹性性能第一原理研究

采用基于密度泛函理论的Castep和Dmol程序软件包,计算了Mg17Al12、Al2Y及Al2Ca相的结构稳定性、弹性性能与电子结构。形成热和结合能计算结果表明:Al2Y具有最强的合金化形成能力和结构稳定性;热力学性质计算结果表明:在298~573 K温度范围内,Al2Y的Gibbs自由能始终最小,其结构热稳定性最好,Al2Ca次之,Mg17Al12最差,Y和Ca合金化Mg-Al系合金形成Al2Y及Al2Ca利于提高镁合金的高温抗蠕变性能;弹性常数的计算结果表明:3种金属间化合物均为脆性相,Mg17Al12的塑性最好;采用弹性常数计算结果预测的Al2Y熔点最高,其结构热稳定性最好。态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明:Al2Y结构最稳定的原因,主要源于体系在Fermi能级以下区域成键电子存在强烈的共价键作用。     

First-Principles Calculations of Electronic Structure and Optical Properties of Si-doped Orthorhombic SrHfO3

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了正交相SrHfO3和以Si替换Hf方式形成的掺杂态SrHfO3的形成能,几何结构,电子结构和光学性质。负的形成能表明在由单元素形成Si掺杂态的SrHfO3的反应中,Si占居Hf位置与Sr位置两种情况在能量上是有利的,并且Si原子更加倾向于占居Hf位置。纯的SrHfO3计算得到的晶格常数与文献报道的实验值和理论值是一致的,而Si占居Hf位置后会导致SrHfO3的晶格常数减小。能带结构显示在掺入Si原子后会使带隙变小。布居分析与电荷密度图一致,说明在Hf位置掺入Si后掺杂位置附近的Hf-O键以共价键为主,Sr-O键以离子键为主。最后,对Si掺杂后SrHfO3在(100)方向上的介电常数、反射率、吸收系数、折射率进行了计算与分析。     

碳纤维表面改性对Cf/Mg复合材料微观组织和界面的影响

研究在碳纤维表面分别用化学法镀Ni和溶胶-凝胶法涂SiO2两种涂层,用真空压力浸渗法制备Cf/Mg复合材料.用SEM、EDS和TEM对Cf/Mg复合材料微观组织和界面特征进行分析.结果表明:无涂层的碳纤维与Mg基体浸润性较差,碳纤维在Cf/Mg复合材料微观组织巾分布不均匀,界面结合强度较弱.碳纤维表面包覆Ni或SiO2涂层改善了碳纤维与Mg基体的润湿性;包覆Ni涂层的碳纤维在Mg基体中分布均匀,并在其界面处生成金属间化合物Mg2Ni,界面为强结合;碳纤维表面的SiO2涂层与Mg进行少量的反应生成MgO和Si,界面结合好.能很好地传递载荷.     

MoS_2电子结构、振动和介电性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了MoS2电子结构、振动和介电性质,得到了MoS2能带结构、态密度、介电谱和红外反射谱。研究表明,MoS2为间接带隙半导体。介电张量在垂直和平行于c轴方向表现出强烈的各向异性。电子屏蔽作用对介电常数贡献较强,晶格振动对介电常数贡献较弱。在300~500 cm-1波段,由于红外光学模的存在,材料与电磁波存在较强的相互作用,透波性能较差。     

Al、Zn对Mg-Li相界合金化效应的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理超软赝势平面波方法,研究了Al、Zn对Mg-Li合金中α-Mg/β-Li相界断裂强度的影响。体系结合能的计算结果表明Al、Zn固溶于Mg-Li合金后其结构更为稳定;从所得断裂功、态密度以及电荷密度的结果来看,Al更容易固溶于α-Mg固溶体中,对断裂强度的增强作用优于占位于α-Mg/β-Li相界面;Zn占位于α、β晶内、相界面的倾向性不明显,但均可使体系的断裂强度提高;Al、Zn复合合金化后使体系稳定性得到提高,断裂强度等得到进一步的改善。环境敏感镶嵌能的计算结果表明Zn比Al更容易偏聚于相界面;Al、Zn合金化对体系稳定性、断裂强度产生的影响主要是由于Al-3s3p轨道电子、Zn 3d轨道电子贡献产生了新的成键峰,以及Mg 2p轨道及Li 2s轨道电子在费米能级处共同作用的结果。