电子理论在材料科学中的应用

介绍密度泛函理论(DFT)、余氏理论(EET)和程氏理论(TFDC),综述DFT在功能材料、结构材料和表面科学等领域中的应用,EET在金属材料和陶瓷材料等领域中的应用,以及TFDC在晶体中位错稳定性、簿膜内应力、纳米材料等领域中的应用,阐述了3种电子理论的相互关系和应用特点,展望3种电子理论的应用前景,指出三者的有机结合是电子理论发展的有效途径。

电沉积Cu/Ni多层膜硬度与调制波长关系的研究

分别采用双槽法和单槽法制备了不同调制波长的Cu/Ni多层膜,研究了多层膜硬度与调制波长之间的关系。结果表明,当调制波长大于33nm时,硬度与调制波长的关系符合Hall-Petch关系式;小于33nm时,偏离了Hall-Petch关系式;等于21nm时,硬度出现了峰值,约为HV451.8。

Mg-Cr-Mn合金的组织结构与贮氢性能

Mg的吸放氢条件苛刻、动力学性能差,只有对它进行合金化,才能得到贮氢性能优异的Mg合金。本研究尝试用Cr-Mn元素对Mg进行合金化,用不同工艺方法制备Mg-Cr-Mn合金,并用X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱仪对合金进行了物相、形貌和成分表征,利用Sieverts加氢装置对部分合金进行充氢试验。研究结果表明:Mg-Cr-Mn没有形成Laves相,Mg只是少量地固溶在Cr Mn合金立方相中。Mg-Cr-Mn合金在107 k Pa、240℃下可少量吸氢。

Mg-Ti-H体系晶体结构与相稳定性的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法计算了不同Ti含量的MgxTi(1-x)H2(x=0.25,0.5,0.75,0.875)体系的平衡晶格结构、总能量及稳定性.结果表明:氢原子在晶胞中的位置接近于四面体间隙位置;H―Ti原子间距小于H―Mg原子间距,表明Ti较Mg具有更强的"亲氢性",Ti原子在吸引周围H原子的同时削弱了H―Mg键的强度;随Ti含量的增加,体系的稳定性和脱氢温度均降低,且MgxTi(1-x)H2体系与MgH2相比,稳定性更差,脱氢温度更低,表明Ti可降低MgxTi(1-x)H2体系的分解温度并加速其脱氢动力学过程,表现出脱氢催化活性.

普通与急冷Al-Si-Zn钎料的显微组织与力学性能

向Al-Si钎料中添加质量分数为0．1％～7．0％的锌粉，采用电弧炉熔炼法和单辊熔体快淬法制备了普通和急冷Al-si—zn钎料，并用这两种钎料对304不锈钢和6063铝合金进行钎焊，研究了这两种钎料的组织、抗拉强度以及钎焊接头的抗剪强度。结果表明：随着锌粉添加量增加，两种钎料的润湿角均减小；与普通钎料相比，急冷钎料的晶粒更加细小，组织更加均匀；当添加锌粉的质量分数为0．5％～30o时，Al—Si—Zn相呈弥散状，钎料强度较高；当添加锌粉的质量分数超过3％后，Al—Si—Zn相呈聚集状，钎料强度较低；成分相同时，急冷钎料的抗拉强度及接头的强度都高于普通钎料的；但急冷钎料仍为细晶结构而非非晶结构，其组织仍有待改善。

烧结温度对Cu-C-SnO2多孔材料组织与性能的影响

采用SiO2–B2O3–Al2O3助焊剂辅助常压烧结法制备了铜–石墨–氧化锡(Cu–C–SnO2)复合多孔材料,对其显微组织和物理性能进行了测试,研究了烧结温度对Cu–C–SnO2多孔材料组织和性能的影响。结果表明,复合多孔材料主要由金属Cu、石墨和氧化物陶瓷相构成;随着烧结温度升高,SnO2逐渐减少,莫来石等矿化陶瓷相逐渐增多;当烧结温度从750℃升高到800℃时,Cu2O增多,当烧结温度高于800℃时,Cu2O随烧结温度的升高而减少;当烧结温度为950℃时,Cu相发生显著再结晶而晶粒粗大;材料的电阻率、渗油率和空气粘性渗透系数随烧结温度的变化呈现出相似的变化规律,都随烧结温度的增加而先减小后增大,在烧结温度850~900℃范围内达到最小值;烧结线收缩率和材料密度随烧结温度的变化呈现出相似的变化规律,都是随烧结温度的升高而增大,在烧结温度800℃附近存在一个临界值,在该临界值两侧,烧结线收缩率和材料密度随烧结温度变化的速率明显不同;在烧结温度800~850℃之间,材料里氏硬度存在一个突变点,在该突变点两侧,材料里氏硬度都随烧结温度的升高而升高。

Al2O3颗粒弥散强化钼合金的显微组织与压缩性能

采用水热合成法和粉末冶金方法制备Al2O3颗粒增强Mo合金,并利用XRD、SEM和TEM对所制备的Mo-Al2O3合金的显微组织进行研究。结果表明,Al2O3颗粒以稳定的六方相(α-Al2O3)形式均匀地分布在Mo基体中,超细α-Al2O3颗粒显著细化Mo合金的晶粒尺寸,增加Mo合金位错密度。此外,α-Al2O3与Mo晶粒间存在良好的界面结合区,且Al2O3颗粒与Mo基体界面存在一定的晶体学关系:[111]a-Al2O3//[111]Mo和(112)a-Al2O3//[111]Mo。由于二次强化效应和位错强化效应,与纯 Mo相比,1200℃退火Mo-2.0%Al2O3(体积分数)合金的屈服强度提高约56.0%。结果表明,添加Al2O3颗粒是改善Mo合金力学性能的一种有效方法。

铝钼共掺杂氧化锌粉末的制备及光电性能研究

采用水热法制备了不同含量的铝(Al)单元掺杂及铝(Al)、钼(Mo)共掺杂氧化锌(AZO、AZMO)纳米粉体,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、荧光分光光度计(PL)、紫外分光光度计(UV-vis)、TG-DTA差热分析、激光粒度分析仪、四探针电阻测试仪等测试手段,探究了Al单元掺杂和Al、Mo共掺对AZO、AZMO粉体结构、形貌及光电性能的影响。结果表明:所制备的AZO和AZMO纳米粉体为结晶度良好的六方纤锌矿结构。Al、Mo掺杂浓度影响纳米氧化锌粉体形貌、晶体结构及光电性能。随着Al、Mo掺杂浓度的增加,粉体的结晶质量降低,晶粒尺寸先减小后增大,光电性能先变好后变差。适度的Al、Mo共掺杂可使氧化锌禁带宽度和电阻率达到最优匹配,改善氧化锌的近紫外发光和蓝色发光特性。在掺杂浓度为m(Al)∶m(Mo)=1∶3时,纳米粉体的综合光电性能最佳,禁带宽度为3.392 eV,电阻率为20.3Ω·m,紫外发光峰强度最大,且出现了蓝移。

热变形温度对SmCo/FeCo纳米复合磁体磁性能的影响

采用热变形技术,制备了SmCo/FeCo纳米复合磁体,研究了热变形温度对磁体磁性能的影响规律。通过X射线衍射、热重分析、扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究了磁体的相组成和微观结构。研究结果表明:随着热变形温度从600℃升高到1000℃,Sm_(2)Co_(17)硬磁相的含量不断增加,FeCo软磁相的含量不断减少,SmCo/FeCo纳米复合磁体的矫顽力从1.54 kOe提升到5.04 kOe;饱和磁化强度先增加后降低,剩余磁化强度呈“先升高、后降低、再升高”的趋势。相对于含有部分非晶相的600℃热变形磁体,700℃热变形磁体的晶化程度更高,饱和磁化强度和剩余磁化强度在700℃达到最大值。

Cu-2.5Sn-1.0Ti-0.25Cr合金的热变形行为及热加工图

利用Gleeble-1500D型数控动态-力学模拟试验机,在550~950℃温度范围和0.001~10 s^(-1)应变速率条件下对Cu-2.5Sn-1.0Ti-0.25Cr合金进行了热变形试验,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)以及光学显微镜等研究了Cu-2.5Sn-1.0Ti-0.25Cr合金的显微组织演变。建立了合金的本构方程并绘制了合金的热加工图。结果表明:Cu-2.5Sn-1.0Ti-0.25Cr合金的热变形激活能为283.473 kJ/mol,推荐的热加工参数为:变形温度850~950℃,应变速率0.08~0.4 s^(-1)。合金的流变应力随温度的降低而增大,随应变速率的提高而增大;高温低应变速率有利于促进合金的动态再结晶。

ScMn_2合金贮氢(氘)性能

利用XRD研究了ScMn2合金及其氢(氘)化物的晶体结构;利用Sieverts装置测量了合金的吸氢活化性能、P-C-T曲线及吸氢动力学曲线;利用热重-差热分析仪(TG-DSC)研究了ScMn2H3.6钝化后的放氢动力学.结果表明,ScMn2的氢(氘)化物保持了母合金C14型Laves相结构,吸氢造成的晶胞体积膨胀约为25%;ScMn2在室温常压下能与H(D)迅速发生反应,具有优异的活化性能;100 kPa.,298 K时,1 mol ScMn2合金的贮氢量和贮氘量分别约为3.7和3.6 mol;ScMn2具有较低的吸、放氢滞后临界温度,优异的平台特征以及较低的平台压,适于H及其同位素贮存.与室温平台压对应的合金氢化物的△H和△S分别为-45 kJ/mol和80 J/(K·m01);ScMn2在113 kPa初始H2(D2)压强下吸氢(氘)动力学可用JMA模型描述,反应级数为0.4,吸氢和吸氘的表观活化能分别为(16士0.3)和(19土1.7)kJ/mol,此活化能的差异使ScMn2有可能用于H同位素分离;钝化后的合金氢化物在639 K时能完全放氢,放氢的表观活化能为(144±14)kJ/moI.

蠕变镍基单晶高温合金微观结构与界面特征的X射线小角散射研究

利用SAXS技术对蠕变过程中不同尺度范围的微观结构变化分析表明X射线小角散射(SAXS)与中子小角散射(SANS)测量的二维散射图具有明显的差异,由散射强度曲线的变化说明了蠕变过程中二次析出γ′相形貌和不同区域尺寸特征的改变情况.分析结果表明二次析出γ′相存在两类特征尺寸,在蠕变过程中沿[100]或[010]方向的变化趋势类似,均是在第一和第二阶段有所减小,在第三阶段又有所增大,相较而言,特征尺寸较大的γ′相变化也较为显著.二次析出γ′相在蠕变第二阶段元素扩散最严重,相表面最粗糙,在第三阶段两相界面又进一步明锐;进一步分析表明随蠕变时间增加由于颗粒增大或总量减小,二次析出γ′相与基体相的界面总面积逐渐减小.

Mg-Ti-H体系电子结构与光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赝势平面波方法,对不同Ti含量的MgxTi(1-x)H2(x=0.25,0.5,0.75,0.875)体系的电子结构进行研究,并预测其光学性质。电子态密度计算结果表明:在MgH2中加入Ti原子,使MgxTi(1-x)H2体系呈现金属特性,这源于Ti诱导费米能级处电子密度增加和费米能级附近能隙消失。电荷密度分析进一步得到了Ti-H原子间形成比Mg–H原子间更强的共价键的成键本质。光学性质预测结果表明,MgxTi(1-x)H2体系中Ti含量对其可见光能量附近的光学性质存在重要影响,较低Ti含量(如Mg0.875Ti0.125H2)不利于提高其可见光的吸收能力,而较高Ti含量(如Mg0.25Ti0.75H2)则对可见光的反射较高。计算结果为制备具有优良的太阳光吸收能力和光电转化效率的Mg-Ti-H光电材料提供了理论依据。

中子衍射分析时效处理对镍基单晶高温合金相结构的影响

采用φ振荡和φ固定两种数据采集模式的中子衍射实验结果表明较高的时效温度对消除枝晶最有效,微应变(晶粒区域间的变形不协调性)主要存在于γ'相.利用中子衍射结合扫描电子显微镜对合金的微观组织形貌进行了细致观察,给出了时效温度和时间对γ'相的影响状况,超晶格测量发现了γ'相晶粒之间出现的独特取向差.由不同晶面的中子衍射结果判断时效后合金出现了轻微的四方对称性(a<c)畸变,对这种畸变起主要作用的是基体相.实验结果同时证实了不同方向的应变差异,因而为筏化驱动模型的定量构建提供了基本实验参量.根据超晶格衍射的计算结果可知,合金相界面是一种复杂的畸变变形,同时得出晶格错配度在-0.1%—-0.3%之间,晶格错配与时效工艺和晶体取向密切相关,过高的一级时效温度或过长的二级时效时间均会降低合金的晶格错配度.

硅烷馈入方式对微晶硅薄膜光发射谱和结构的影响

采用SR500光谱光度计对甚高频等离子体增强化学气相沉积本征微晶硅薄膜过程进行了在线监测,分析了硅烷不同注入方式对等离子体光发射谱和薄膜结构的影响。结果表明,采用硅烷梯度注入时,等离子体中的Hα*、Hβ*和Si H*峰强度逐步升高,且高的Hα*/Si H*比值有利于高晶化率界面层的沉积;这与采用XRD分析薄膜的结构得到的结果一致。选择硅烷梯度注入方式沉积微晶硅薄膜电池本征层,在沉积速率为1 nm/s本征层厚度为2400 nm时,最终获得了光电转换效率为7.81%的单结微晶硅薄膜太阳能电池。

镍基合金DD10中γ/γ'晶格错配度厚度效应的X射线衍射分析

利用四轴X射线衍射仪(XRD)测定片状DD10镍基单晶高温合金减薄至不同厚度时基体相(γ)和沉淀强化相(γ′)的晶格常数.根据减薄过程中两相间约束变化得到晶格常数和错配度变化规律,计算出合金从三维块体错配应力状态向二维平面应力状态转化达到失稳状态的临界厚度以及与不同应力状态对应的晶格错配度.依照一定的假设条件,推算出与应力松弛条件对应的无错配应力状态下两相的晶格常数.分析结果表明:合金减薄达到临界厚度后,γ′相晶格常数随厚度减小而线性变小,γ相晶格常数无明显变化,与此对应的晶格错配度绝对值变大;减薄过程伴随γ/γ′两相间约束的减弱和相间微观应力松弛,晶格取向差和晶体嵌镶度增大,表层应力状态向平面应力状态转化.测量得到的临界厚度与无错配应力状态下的晶格常数可为高温合金单晶材料的应用设计和残余应力测试提供参考.

一种TFD方程的数值解法及一些常见元素的电子密度求解

四阶Runge-Kutta法是工程计算中常用的一种求解微分方程的数值计算方法,具有精度高,易收敛等优点。本文在Feynman等人计算方法的基础上,用经典的四阶Runge-Kutta法来求解Thomas-Fermi-Dirac(TFD)方程,进一步提高原计算方法的计算精度。利用该方法求出了元素Cu的TFD方程数值解并计算出一些常见元素在Wigner-Seitz半径处的电子密度。

Ti_(0.7)Zr_(0.3)(Cr_(1-x)V_x)_2合金的结构和贮氢性能

采用XRD和SEM分析了Ti0.7Zr0.3(Cr1-xVx)2(x=0.1,0.2,0.3,0.4)合金的相组成、晶体结构和元素成分;采用Sieverts装置、差热和热重分析仪(DTA-TG)测量了合金的活化性能、吸放氢P-C-T曲线、热力学参数及高温放氢特征.结果表明,合金为多相组织,存在C36(P63/mmc)和C15(Fd3m)2种Laves相和几种晶格常数近似的钒基bcc固溶体相.当V含量较低时,合金主要由C36型Laves相和少量bcc固溶体相组成.随着V含量增加,C36型转变为C15型Laves相,其中第3种(C层)堆垛存在几率增加,而且合金中bcc固溶体相含量增加.合金在2 MPa氢压和常温下能迅速活化;表面氧化后,x=0.1和0.2合金仍表现出优异的活化性能.随着V含量增加,合金的贮氢量增加、平台压力减小.合金氢化的相对偏摩尔焓变(ΔH)和熵变(ΔS)的变化范围为-7^-28 kJ/mol和-35^-95 J/(mol·K).DTA-TG分析表明,合金氢化物分解主要出现在500~600 K温度区间,并呈现对应不同类型氢化物的2个分解温度,加热到800 K时合金中稳定的氢化物完全分解.

ScMn_(1.6)V_(0.4)合金吸氢热力学和动力学研究

利用XRD研究了ScMn1.6V0.4合金及其氢化物的晶体结构,利用氢气反应装置测量了合金的吸放氢性能。结果表明:ScMn1.6V0.4合金为理想的密排C14型Laves相结构。合金在实验条件下生成的氢化物晶体结构与原始合金相同,体积膨胀28%。合金在115 kPa和298 K条件下可快速吸氢,孕育期非常短,表现出优异的活化性能。合金不同温度下的P-C-T曲线没有明显的吸放氢平台,吸放氢滞后随温度升高变小,临界滞后温度为523 K。由van’t Hoff方程得到合金在(α+β)相的ΔH和ΔS的变化范围分别为-(29~34) kJ/molH2和-(61~84) J/molH2K;β相分别为-(31~33) kJ/molH2和-(87~88) J/molH2K。合金的吸氢动力学可用JMA模型描述,初次活化的块体样品(α+β)和β相区域的Avrami指数分别为4和1;完全活化的粉体样品两个相区域的Avrami指数分别为1和0.5,表观活化能分别为(15±1) kJ/mol和(7±2) kJ/mol。