金刚石/铝复合材料界面性质第一性原理计算及界面反应

采用第一性原理计算和实验相结合的方法,研究了金刚石/铝复合材料的界面性质及界面反应.计算结果表明:金刚石(100)/铝(111)界面粘附功更大,相比金刚石(111)/铝(111)的界面粘附功4.14 J/m^(2)提高了41%.同时,金刚石(100)/铝(111)界面处形成Al-C键合的趋势更强.Al-C键的引入能够促进金刚石(100)/铝(111)界面处C-C键的形成,提高界面粘附功.利用真空气压浸渗法制备金刚石/铝复合材料,并对金刚石/铝复合材料的界面结构进行多尺度表征.在金刚石{100}面观察到界面产物Al_(4)C_(3),且界面脱粘多发生在金刚石{111}面,实验现象与计算结果相一致.湿热实验研究了界面反应对金刚石/铝复合材料的影响,进一步表明抑制Al_(4)C_(3)生成、改善界面选择性结合对于提高金刚石/铝复合材料性能及稳定性具有重要意义.本文的研究为第一性原理计算金刚石/金属的界面性质提供了新的思路,也对金刚石/金属复合材料的设计具有重要的指导意义.

RGO/Al复合材料界面性质第一性原理研究

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,在广义梯度近似下,分别建立了具有不同碳氧比的“铝/氧化石墨烯/铝(Al/GO/Al)”界面模型以及含缺陷“Al/GO/Al”三层界面模型。探讨了含氧官能团和单空位缺陷、双空位缺陷以及拓扑缺陷对还原氧化石墨烯增强铝基复合材料界面性质的影响。研究结果表明:在“Al/GO/Al”界面模型中,环氧基优于碳原子而与铝原子产生明显的电荷交互作用,氧原子净电荷为-0.98e,铝原子净电荷为0.46 e,环氧基有利于复合材料中还原氧化石墨烯与铝基体之间的界面结合。当缺陷存在时,含缺陷的“Al/GO/Al”界面模型中缺陷处碳原子净电荷在-0.05e至-0.38e区间,环氧基与碳原子之间存在较弱的相互作用,与铝原子间相互作用明显较强。环氧基抑制了空位缺陷处碳原子与铝原子之间的反应,可保护含空位还原氧化石墨烯中碳原子结构的完整性。本研究可为开发高性能Al/GO/Al基复合材料提供理论指导。