Ta_(1–x)Hf_(x)C和Ta_(1–x)Zr_(x)C固溶体的结构稳定性和力学性质的第一性原理研究

随着航空航天领域的飞速发展,极端的环境要求超高温陶瓷材料具有更好的力学性能和超高熔点.目前,单金属碳化物的超高温陶瓷材料承受的压力日渐增大.为了解决过渡金属单碳化物性能不足的问题,我们基于密度泛函理论系统地研究了Ta_(1–x)Hf_(x)C和Ta_(1–x)Zr_(x)C (0≤x≤1)固溶体的物理性质.通过调节Hf和Zr的浓度来研究它们的结构稳定性、晶格参数、力学性能、熔点和电子结构.我们的计算结果表明碳化物固溶体的稳定性随Hf/Zr含量的增加而增加,并且当Hf/Zr含量相同时, Ta_(1–x)Zr_(x)C比Ta_(1–x)Hf_(x)C的结构更稳定.我们还发现随着Hf/Zr含量的增加,固溶体的晶格常数和体积会膨胀. Ta_(1–x)Hf_(x)C和Ta_(1–x)Zr_(x)C固溶体的体积模量随着Hf/Zr含量的增加而减小,而固溶体的熔点、杨氏模量、剪切模量、维氏硬度和断裂韧性在掺杂含量x=0.2处会出现峰值.而且,添加Hf和Zr可以提高TaC的耐磨性.电子态密度结果显示随着Hf/Zr含量的增加,固溶体费米能级处的态密度值逐渐降低,这表明固溶体的结构稳定性逐渐增强.

氮掺杂ZrC和TaC结构和电子性质的第一性原理研究

为了研究氮(N)掺杂对难熔金属碳化物ZrC和TaC的影响,本文运用第一性原理超原胞方法(SC)和虚晶近似方法(VCA)进行了研究。计算了掺杂不同浓度N原子的ZrC1-xNx和TaC1-xNx(0≤x≤1)难熔金属碳氮化物的形成能、晶格常数、体积以及电子态密度。形成能计算结果表明ZrC1-xNx和TaC1-xNx的稳定性随氮浓度的增大而增强;晶格常数和体积随氮浓度的增大而减小,结构也越来越稳定;氮掺杂导致的电子态密度在深能级处的新峰随着氮浓度的增大而变高,也表明结构更稳定。此外,比较相同N浓度下的ZrC1-xNx和TaC1-xNx,发现ZrC1-xNx的形成能更低,因此掺杂相同浓度的N时ZrC1-xNx更稳定。

二硼化物固溶体(Ti/Zr)1-x(Ta/Nb)xB2的结构稳定性和力学性能的第一性原理研究

通过超晶胞(SC)方法和虚拟晶体近似(VCA)方法的第一性原理计算,研究了金属二硼化物固溶体(Ti/Zr)_(1-x)(Ta/Nb)_(x)B_(2)(0≤x≤1)的形成能、混合能、晶格常数、体积、弹性常数、熔点、弹性模量、维氏硬度、断裂韧性和态密度。结果表明,二硼化物固溶体(Ti/Zr)_(1-x)(Ta/Nb)_(x)B_(2)的结构稳定性随掺杂浓度的增加而降低。Ti_(1-x)(Ta/Nb)_(x)B_(2)的体积随着掺杂浓度的增加而增加,这是因为Ta和Nb的原子半径大于Ti。而Zr_(1-x)(Ta/Nb)_(x)B_(2)的体积逐渐变小,这归因于Ta和Nb的原子半径比Zr小。并且,二硼化物固溶体(Ti/Zr)_(1-x)(Ta/Nb)_(x)B_(2)是力学性质稳定的脆性材料。特别地是,Ta和Nb的掺杂剂可明显改善固溶体(Ti/Zr)_(1-x)(Ta/Nb)_(x)B_(2)的脆性和体积模量以及断裂韧性,但硬度会降低。

氮掺杂ZrC和TaC结构和电子性质的第一性原理研究

为了研究氮(N)掺杂对难熔金属碳化物ZrC和TaC的影响,本文运用第一性原理超原胞方法(SC)和虚晶近似方法(VCA)进行了研究。计算了掺杂不同浓度N原子的ZrC_(1-x)Nx和TaC_(1-x)N_(x),(0≤X≤1)难熔金属碳氮化物的形成能、晶格常数、体积以及电子态密度。形成能计算结果表明ZrC_(1-x)Nx和TaC_(1-x)N_(x)的稳定性随氮浓度的增大而增强;晶格常数和体积随氮浓度的增大而减小,结构也越来越稳定;氮掺杂导致的电子态密度在深能级处的新峰随着氮浓度的增大而变高,也表明结构更稳定。此外,比较相同N浓度下的ZrC_(1-x)Nx和TaC_(1-x)N_(x),发现ZrC_(1-x)Nx的形成能更低,因此掺杂相同浓度的N时ZrC_(1-x)Nx更稳定。