Hf_(x)Ta_(1-x)C体系力学性能及熔化曲线的第一性原理研究

Hf_(x)Ta_(1-x)C具有高熔化温度、高硬度、高强度,以及导电、导热性好等优异性能,是2000℃以上热防护领域极有潜力的候选材料,但其力学性质与熔化温度随组分变化规律尚不清晰。本研究基于特殊准随机结构(SQS)方法和第一性原理计算,从共价键强度、价电子浓度(VEC)的微观角度系统地探讨了Hf_(x)Ta_(1-x)C系固溶体力学性质随组分的变化机理。力学性质计算结果表明:5种组分(HfC、Hf_(0.75)Ta_(0.25)C、Hf_(0.5)Ta_(0.5)C、Hf_(0.25)Ta_(0.75)C与TaC)中,Hf_(0.25)Ta_(0.75)C固溶体具有最高的弹性模量和剪切模量,这主要归因于:(1)该组分具有最高的共价键强度;(2)来自C的p轨道和来自Hf或Ta的d轨道之间的特殊键合在VEC=8.75(Hf_(0.25)Ta_(0.75)C)附近被完全填充,它们强烈抑制形状变化。研究还使用基于从头算分子动力学(AIMD)的分子动力学Z方法计算了Hf_(x)Ta_(1-x)C系固溶体的熔化曲线。结果显示Hf_(x)Ta_(1-x)C系固溶体熔化温度反常增加的现象的确存在,且在Hf_(0.5)Ta_(0.5)C处熔化温度最高(4270 K),这主要归因于构型熵与共价键强度的协同作用。本研究结果为高熔化温度及高力学性能Hf_(x)Ta_(1-x)C系固溶体组分的实验选择及其耐高温涂层应用等提供了理论指导,也为其他过渡金属碳化物研究提供了参考。