稀土元素La掺杂对AlN性能影响的第一性原理研究

本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了稀土元素La掺杂对纤锌矿结构AlN力学性能及压电性能的影响.计算得到的AlN各项力学性能及压电性能与实验值较吻合.掺杂稀土元素La会降低其体模量、剪切模量与杨氏模量,但会使AlN由脆性材料转变为韧性材料.压电性能计算结果表明,掺杂稀土元素La后,可使体系的压电性能提升15%左右.电子结构分析结果表明La的引入会降低体系中化学键的作用强度,从而提升了体系的塑性及压电性能.     

高温高压下Zr2AlC的结构及热学性质的第一性原理

利用密度泛函理论研究了高温高压下Zr₂AlC的结构和热力学性质,计算得到Zr₂AlC的晶格参数与实验值符合较好．研究了Zr₂AlC的弹性常数、体模量、剪切模量和杨氏模量等力学性质随压力变化的趋势．同时研究了维氏硬度随压力的变化趋势．通过计算得到的杨氏模量预测了Zr₂AlC的弹性各向异性．最后,基于准简谐德拜模型,成功预测了Zr₂AlC的德拜温度、热容、热膨胀系数和Grüneisen参数随着压强和温度的变化关系.     

常压下固态KNO2热力学性质的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论结合准谐德拜模型研究常压下300~725 K间KNO₂立方结构的热力学性质,重点分析常压下定压热容、定容热容、熵、德拜温度、体膨胀系数、平衡体积和体弹模量随温度的变化.结果显示,常压下计算的定压热容随温度的变化与实验数据符合较好,而计算的熵与实验数据相差较大.计算得到KNO₂的平均体膨胀系数约为1.837 8×10^-5K^-1,常温下(300 K)KNO₂的德拜温度约为667.13K.     

压力作用下Mg_2X(X=Si,Ge)相热力学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了压力作用下Mg_2Si和Mg_2Ge的结构、弹性和热力学性质。计算结果表明:0GPa压力作用下两者的晶格参数与实验值以及其他理论值吻合较好,且相对晶格常数a/a_0和晶胞体积V/V_0均随压力的增大而减小;在0~25GPa压力作用下,Mg_2Si和Mg_2Ge相体模量B、剪切模量G、杨氏模量E均随压力的增大而增大,材料的刚度和塑性均增强,当压力达到15GPa时,材料由脆性转变为延性。最后借助准谐德拜模型和Gibbs软件,研究了温度与压力对Mg_2Si和Mg_2Ge的德拜温度、体模量、热容和热膨胀系数的影响。     

密度泛函理论研究高温高压下UO2弹性与热力学性能

采用第一性原理与准谐德拜模型研究UO2在高温高压条件下的弹性与热力学性能。UO2在高温高压下仍属离子型晶体,并且弹性性能计算表明,四角方向剪切常数在高温与高压下均保持稳定。高温下弹性常数C44没有明显变化,而高压下C44迅速增大。体积模量、剪切模量与杨氏模量均随压强增加而增大;高温条件下,体积模量、剪切模量与杨氏模量也未出现明显的降低,表明UO2在高温度高压下均可保持良好的力学性能。不同压强下,UO2定容热容均随温度迅速增大,并在1000 K 附近趋近于杜隆-佩蒂特极限。德拜温度则随温度降低,随压强升高。在低于室温条件下,热膨胀系数随温度急剧增加;温度继续增加,系数的增加趋势则逐渐变缓。计算结果还表明,UO2的热膨胀系数在相同条件下,远小于其他核材料。     

点缺陷对L1_2-Al_3Li金属间化合物热力学性能的影响

运用基于第一性原理的平面波赝势法研究了L12-Al3Li金属间化合物中Li原子空位和Al原子反位缺陷对Al3Li热力学性能的影响,结果表明:Al反位缺陷易与周围原子形成局域共价键,使晶体体积增大,而Li空位缺陷却减小了晶体体积.Li空位缺陷使L12-Al3Li的硬度增加,延展性降低,德拜温度值升高.Al反位缺陷降低了晶体的硬度,增加了延展性,降低了德拜温度值.在德拜温度以下,Li空位缺陷减小了L12-Al3Li的热容,而Al反位缺陷使晶体热容增大.晶格畸变对L12-Al3Li晶体的热力学性能有重要影响.     

高压下TiC的弹性、电子结构及热力学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法 并结合准谐徳拜模型研究了NaCl结构的TiC在高压下的弹性性质、电子结构和热力学性质. 计算所得零温零压下的晶格常数、体弹模量及弹性常数与实验值符合得很好. 零温下弹性常数和弹性模量随压强增大而增大. 通过态密度和电荷密度的分析, Ti-C键随压强增大而增强. 运用准谐德拜模型, 成功计算了TiC在高温高压下的体弹模量、熵、热膨胀系数、徳拜温度、 Grüneisen参数和比热容. 结果表明压强对体弹模量、热膨胀系数和徳拜温度的影响大于温度对其的影响. 热容随着压强升高而减小, 在高温高压下, 热容接近Dulong-Petit极限.     

Cr2MC(M=Al, Ga)的电子结构、弹性和热力学性质的第一性原理研究

本文使用第一性原理的GGA/RPBE方法研究了Cr₂MC(M=Al, Ga)的电子结构、弹性和热力学性质. 研究发现两个化合物的体积压缩性几乎相同, 并且证实了在0—50 GPa范围内c轴始终较a轴更难以压缩并且结构始终是稳定的. 通过对内坐标的研究发现了Cr₂AlC中Cr离子的内坐标始终大于Cr₂GaC中Cr离子的内坐标. 使用准谐德拜模型得到的体弹模量在0 GPa下随着温度的升高而减小, 而在300 GPa下则随着温度的升高而增大. 对德拜温度的研究发现Cr₂GaC的值小于Cr₂AlC的值, 而对热膨胀系数、Grüneisen参数、熵和热容的计算发现Cr₂GaC的值大于Cr₂AlC的值. 对电子结构的分析发现Cr₂GaC的s和p电子在费米能级处的值大于Cr₂AlC的s和p电子的值, 而其他离子的电子分布几乎一致.     

高压下硫化钙的弹性和热力学性质的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法结合准谐德拜模型研究NaCl结构的CaS在高压下的弹性和热力学性质.计算得到的零温零压下的晶格常数、体弹模量与实验值符合得很好.弹性常数和弹性模量随着压强的增大而增大.压强对体弹模量和热膨胀系数的影响大于温度的影响.热容随压强的升高而降低,在高温下热容接近于Dulong-Petit极限.通过求解Gibbs自由能计算得到B1结构和B2结构CaS的相变压为36.61 GPa.     

压力下MoS_2的结构相变以及热动力学性质的第一原理研究

采用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了层状MoS2在压力下的热动力学性质和相变机制.计算表明MoS2的2Hc结构在17.5GPa会相变到2 Ha结构,与此前理论结果20GPa基本一致.对比分析了两个结构在压力下的弹性常数、体模量、波速、德拜温度、线性体模量、热膨胀系数和定容热容等热动力学性质.研究表明MoS2的2 Hc和2 Ha结构在0~60GPa都满足力学稳定性条件,说明相变不是由于力学稳定性丧失导致,并且两个高压相在压力下呈现出较强的弹性各向异性,在0~50GPa内其a轴抗压缩均能力强于c轴.在相变机制上,Mulliken布居分析表明,随着压力增加,S原子向Mo原子转移电子以及Mo原子内s电子向d电子转移对MoS2从2 Hc结构相变到2 Ha结构起到重要作用.     

ZrV2结构、弹性和热力学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平面波赝势方法研究ZrV₂的晶体结构和弹性,利用准谐Debye模型计算在不同温度(T=0~1200 K)和不同压强(P=0~20 GPa)下ZrV₂的热力学性质,包括弹性模量与压强,热熔与温度,以及热膨胀系数与温度和压力的关系.结果表明:计算的ZrV₂晶格常数与实验值符合较好,晶体材料的弹性常数随着压力增加而增加;在一定温度下,相对体积、热熔随着压强的增加而减小,德拜温度、弹性模量随着压强的增加而增加,且高压下温度对ZrV₂热膨胀系数的影响小于压强的影响.     

高压下NH_4ClO_4结构、电子及弹性性质的第一性原理研究

研究高压下NH_4ClO_4的结构和性质对于NH_4ClO_4在固体推进剂和炸药的安全应用具有重要意义.采用基于色散校正密度泛函理论的第一性原理方法,研究了0—15 GPa静水压力下NH_4ClO_4的晶体结构、分子结构、电子性质和弹性性质,计算结果与实验值具有较好的一致性.在压强为1,4和9 GPa时,NH_4ClO_4的晶体参数、键长和分子构型等均出现不连续变化,说明了在压强作用下结构发生变化.随着压强增加,氢键增多且作用增强,由分子内氢键向分子内和分子间的氢键转变;导带态密度峰值增加,电子局域性增强,晶体内N-H和Cl-O共价键作用增强,带隙增大,不同相变区域内带隙呈线性关系.0—15 GPa条件下NH_4ClO_4的弹性常数满足力学稳定性标准,采用Voigt-Reuss-Hill方法计算了体积模量B,剪切模量G和杨氏模量E,根据Cauchy压力和B/G值,说明NH_4ClO_4属于韧性材料,随着压强增加韧性增强.     

Ti-Al金属间化合物结构与性质的第一性原理模拟

采用软件CASTEP模拟Ti-Al金属间化合物的晶体结构、力学性质和电子性质.分析在0 K、0 GPa时,Ti-Al存在的四种热力学稳定结构：TiAl₃、TiAl₂、TiAl、Ti₃Al,发现TiAl₃、TiAl₂、TiAl可以看作由Al的面心立方结构衍化而来,而Ti₃Al的结构与Ti相似,为密排六方结构.随着Ti摩尔分数的增加,TiAl₃、TiAl₂、TiAl、Ti₃Al的体模量相当,剪切模量和Vickers硬度逐渐减小;Pugh比k值也逐渐减小,表示韧性逐渐变好.最后对态密度、Mulliken布居分析等进行模拟,发现这四种结构Ti-Al键都具有金属性、共价性及弱的离子性.     

新型石墨插层化合物HfC2结构与性质的第一性原理研究

在高压下,预测一种新型石墨插层化合物HfC₂.采用第一性原理方法对其在0 GPa下的结构和性质进行研究,分别采用GGA-PBESOL、GGA-PW91和LDA方法进行结构优化,得到的晶体学数据基本相同.弹性常数和声子谱计算证实其力学和晶格动力学稳定性,表明HfC₂在0 GPa下能够稳定存在.采用GGA-PBESOL方法计算得到HfC₂的体模量和剪切模量达到265 GPa和118 GPa,Pugh比k<0.57,是一种具有高体模量的韧性材料.HfC₂存在C-C、Hf-C共价作用,且具有金属特性和特殊层状结构,是其具有高体模量和韧性的原因.最后,对HfC₂在0~500 GPa内的键长、体模量、剪切模量、k值等进行研究,探索其力学性质随压力变化的规律.     

IrB和IrB$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;力学性质的第一性原理计算

采用平面波赝势密度泛函理论对0–100 GPa静水压下P₁ -IrB（空间群Pnma）和P₅ -IrB₂（空间群Pmmn）结构的平衡态晶格常数、弹性常数等性质进行了研究. 研究结果表明,P₁ -IrB不可压缩性随着压强的增加而增强;P₅ -IrB₂ 结构在0–100 GPa范围内弹性常数、体弹模量、剪切模量均呈现出有规律的变化,当所加压强为50 GPa时,杨氏模量和在b方向的晶格常数发生异常变化. 对零压下P₁ -IrB和P₅ -IrB₂ 的电子结构的研究发现,二者均没有一个明显的带隙,主要原因为Ir原子和B原子间的共价作用. 从P₁ -IrB和P₅ -IrB₂的能带结构和态密度图可以发现这两种结构均有金属性. 关键词： 1 -IrB')" href="#">P₁ -IrB 5-IrB₂')" href="#">P₅-IrB₂ 第一性原理 力学性质     

First-Principle Calculations of Elastic Properties of Wurtzite-Type Aluminum Nitride Under Pressure

The elastic properties of the wurtzite-type aluminum nitride （w-AlN） are investigated by ab initio plane-wave pseudopotential density functional theory method. The pressure dependences of the normalized primitive cell volume V/Vo, the elastic constants cij, the aggregate elastic modulus （B, G, E）, the Poisson＇s ratio （v）, and the Debye temperature θD are successfully obtained. From the elastic constants of the w-AlN under pressure, we find that the w-AlN should be unstable at higher pressure than 61.33 GPa.     

First-principles investigation on the structural and elastic properties of cubic-Fe_2 TiAl under high pressures

The structural, elastic, and thermodynamic properties of cubic-Fe 2 TiAl under high temperatures and pressures are investigated by performing ab initio calculation and using the quasi-harmonic Debye model. Some ground state properties such as lattice constant, bulk modulus, pressure derivative of the bulk modulus, and elastic constants are in good agreement with the available experimental results and theoretical data. The thermodynamic properties of Fe 2 TiAl such as thermal expansion coefficient, Debye temperature, and heat capacity in ranges of 0 K-1200 K and 0 GPa-250 GPa are also obtained. The calculation results indicate that the heat capacities at different pressures all increase with temperature increasing and are close to the Dulong-Petit limit at higher temperatures, Debye temperature decreases with temperature increasing, and increases with pressure rising. The cubic-Fe 2 TiAl is stable mechanically under 250 GPa. Moreover, under lower pressure, thermal expansion coefficient rises rapidly with temperature increasing, and the increasing rate becomes slow at higher pressure.     

First-Principles Calculations of Structural,Elastic and ElectronicProperties of Tetragonal HfO2under Pressure

Structural, elastic and electronic properties of tetragonal HfO₂ at applied hydrostatic pressure up to 50 GPa have been investigated using the plane-wave ultrasoft pseudopotential technique based on the first-principles density-functional theory (DFT). The calculated ground-state properties are in good agreement with previous theoretical and experimental data. Six independent elastic constants of tetragonal HfO₂ have been calculated at zero pressure and high pressure. From the obtained elastic constants, the bulk, shear and Young's modulus, Poisson's coefficients, acoustic velocity and Debye temperature have been calculated at the applied pressure. Band structure shows that tetragonal HfO₂ is an indirect band gap. The variation of the gap versus pressure is well fitted to a quadratic function.     

三元层状陶瓷M-Al-N(M=Ti,Zr,Hf)的结构及力学性质的第一性原理模拟

基于第一性原理方法,探索M-Al-N（M=Ti,Zr,Hf）结构的稳定性,计算其力学性质.计算M-Al-N化合物的能量,发现除实验已知的结构Ti₂AlN和Ti₄AlN₃、Zr₂AlN、Hf₂AlN外,还存在两种新的热力学稳定结构Zr₄AlN₃、Hf₄AlN₃.弹性常数和声子谱的计算,表明这两个结构是力学稳定和晶格动力学稳定的.计算M₂AlN和M₄AlN₃的力学性质,发现它们具有高的体模量、剪切模量、弹性模量、维氏硬度等;分析其力学性质随组分比例、组成元素的变化规律,为该类材料的选择和应用提供理论依据.最后计算M₂AlN和M₄AlN₃的电子态密度和分态密度、电子密度分布、Mulliken群分析等.     

钝感高能炸药三氨基三硝基苯高温高压下热力学性质的分子动力学模拟研究

热力学性质是钝感高能炸药1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6-三硝基苯(TATB)爆轰性质和安全性评估分析的重要参数. 由于结构的复杂性, TATB炸药尚缺乏系统的实验和理论计算结果. 结合全原子力场和分子动力学的方法, 本文系统研究了不同温度和压力条件下TATB的力学性质和热力学参数, 得到了弹性模量、德拜温度等随温度、压力的变化情况, 并与实验进行了对比分析. 结果表明: 在 0-50 GPa外部压力下, TATB晶体保持力学稳定, 弹性常数和弹性模量随压力升高而增大, 各向异性程度随压力升高而减小, 泊松比和延展性则受压力的影响较小; 随温度的升高, TATB的力学稳定性逐渐下降, 有发生力学失稳的可能, 各弹性常数随温度升高而逐渐减小, 各向异性程度也随之减小; TATB 的声速和德拜温度同样随着压力升高而增大, 平均声速从0 GPa下的1833 m/s, 增加到10 GPa 下的3143 m/s, 德拜温度由0 GPa下的254 K增加到10 GPa的587 K. TATB 热膨胀系数的计算表明, 在200-500 K 温度常压情况下, 其体热膨胀系数为35.9×10^-5 K^-1, 与实验数据符合较好.