B2-RuAl点缺陷结构的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了B2-RuAl金属间化合物的基本物性及其点缺陷结构的几何、能态与电子结构,通过对不同点缺陷结构形成热与形成能的计算与比较,分析和预测了RuAl金属间化合物中点缺陷结构的种类与存在形式。结果表明:RuAl金属间化合物的点缺陷主要是Ru空位和Al反位,在富Ru合金中主要为Ru反位,在富Al合金中则主要是Al反位。这些点缺陷主要以Ru-Ru双空位和Al-Al双反位的组态结构形式出现,并且双空位以Ru-Ru为第一近邻时其点缺陷结构最稳定,而双反位则是以Al-Al为第三近邻时稳定性最高。进一步通过对NiAl和RuAl不同点缺陷结构Cauchy压力的比较,发现点缺陷对RuAl塑性的降低程度比NiAl低,因而含有点缺陷的实际合金的室温塑性RuAl比NiAl好。

NiAl力学性质合金化效应的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算几种合金化元素X(X=Cr、Mn、Fe、Co和Cu)与不同Fe含量(0,3.125%,4.167%,6.25%,摩尔分数)(NiFe)Al超胞的几何与电子结构,并采用如下几个力学参数:弹性常数C44、Cauchy压力参数(C12-C44)、弹性模量E和剪切模量G及比值G/B0等,表征和评判了合金化元素X与不同Fe含量对NiAl金属间化合物延性与硬度的影响。结果表明:高浓度(6.25%)合金化虽可提高NiAl晶体的硬度,但却导致NiAl延展性降低,合金化后NiAl硬度增加的次序为:(Ni7Mn)Al8>(Ni7Co)Al8>(Ni7Fe)Al8>(Ni7Cr)Al8>(Ni7Cu)Al8>NiAl,其延性降低次序则与硬度增加次序相反;随着Fe含量的升高,NiAl晶体的硬度增加,但其使硬度增加的上限约为4%,而随着Fe含量的降低,NiAl晶体的延性逐步增大,当Fe含量低到一定程度时,可改善NiAl晶体的本征脆性。

L1_0-TiA l金属间化合物Mn,Nb合金化电子结构的计算

采用第一原理赝势平面波方法计算了L10型TiA l金属间化合物中掺入Mn,Nb后的电子结构和价键结构。通过合金原子形成热得出:Mn优先占据A l点阵位置,Nb优先占据Ti点阵位置。Mu lliken聚居数分析发现:Mn或Nb合金化后,分别降低了(001)和(002)面内的原子间键合强度,掺入Nb还降低了层间的原子间键合强度,而掺入Mn,则使层间原子间键合强度增加。整体上来讲,掺入Mn有利于改善TiA l的室温脆性,而掺入Nb,不利于改善TiA l的室温脆性。

Fe对NiAl力学性能影响的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算Fe合金化(浓度x<3.0%,原子分数,下同)时完整与缺陷B2-NiAl晶体的弹性性质,并采用弹性常数C44、Cauchy压力参数(C12-C44)、杨氏模量E、剪切模量G及其与体模量B0的比值G/B0等,表征和评判Fe合金化浓度x对NiAl金属间化合物延性与硬度的影响。结果表明:无论是无缺陷的理想NiAl晶体,还是含Ni空位或Ni反位的NiAl缺陷晶体,x<0.6%的Fe合金化均可使其硬度大幅提高。Fe合金化浓度低于0.5%时,虽然完整NiAl晶体的延性变差,但含Ni空位的缺陷NiAl晶体的延性却可明显改善,并以x=0.2%～0.4%时韧化效果最好。Ni空位或Ni反位降低B2-NiAl晶体的本征延性。实验中0.20%～0.25%的Fe合金化对NiAl晶体延性的改善很可能源于Fe原子与NiAl晶体中Ni空位间的关联与协同作用。

Mg_(17)Al_(12)相Ca合金化结构稳定性的第一原理研究

采用第一原理赝势平面波方法,计算了Mg17Al12相Ca合金化前后的能态与电子结构。计算结果显示:当Ca分别置换Mg17Al12相中Mg(Ⅰ)、Mg(Ⅱ)和Mg(Ⅲ)原子时,(Mg17-xCax)Al12相(x=0,1,4,12)的负生成热逐渐升高、结合能逐渐增大,表明Ca置换Mg17Al12相中Mg(Ⅲ)原子时其Ca合金化能力最强,合金化后形成的(Mg5Ca12)Al12相结构稳定性最高。电子态密度(DOS)分析结果表明:Ca合金化后Mg17Al12相结构稳定性升高的主要原因是由于合金化后来自Al(p)和Ca(s)的价电子使其在低能区的成键电子数增多。

3d过渡金属在NiAl中占位的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法研究了NiAl X(X为 3d过渡金属 )合金体系的几何与电子结构。通过合金形成能的计算与分析发现 :合金化元素的外层价电子数对其在B2 NiAl中的占位有非常明显的影响 ,低价电子数的前过渡金属Sc、Ti、V与后过渡金属Zn主要占据Al原子位 ,具有未满d壳层高价电子数的Mn、Fe、Co则主要占据Ni原子位 ,而含有半满或满d壳层的Cr与Cu ,则既可占据Ni原子位也可占据Al原子位 ,但倾向于占据Ni原子位。随着合金化元素外层价电子数的增加 ,3d过渡金属优先占据Ni原子位的趋势增大 ,至Mn时达到最大 ,然后随着价电子数的进一步增加 ,这种趋势逐渐减小。通过对这些合金化元素价电子态密度图的变化 ,说明 3d过渡金属在B2

碘化钠弹性常数和声速的量子力学从头算

采用从头算平面波赝势（PWP）方法结合电子交换关联能的广义梯度近似（GGA）理论,对不同压力下碘化钠的晶体结构进行几何优化计算,得到体系的最稳定优化构型和相应的能量,利用胡克定律计算得到了相应压力下的弹性性质,取得了碘化钠单晶在零温条件下、压力0～30 GPa范围内弹性常数与压力的关系.根据弹性波在晶体中的传播行为求解了碘化钠单晶[100]、[110]、[111]三个主要方向的声速.

Cr对Ni_3Al合金化效应的赝势平面波方法

基于第一性原理赝势平面波方法研究了Cr加入Ni-Al合金后对Ni3Al几何和电子结构的影响,计算了不同强化相的晶胞总能量、形成热、结合能、费米能级下的成键电子数以及态密度、电荷密度,从不同角度出发,研究了不同强化相的稳定性。计算结果表明Ni-Al合金中添加Cr,Cr优先置换Al位且析出的新强化相较原强化相Ni3Al更为稳定,原因在于含Cr的新强化相在低能级处强烈成键,提高了其稳定性,其中Ni6Cr2最为稳定,但只在590℃下稳定存在,Ni5AlCr2、Ni6AlCr、Ni4Al2Cr2、Ni5Al2Cr稳定性依次降低。

MgH_2-Ti体系解氢能力的第一原理计算

采用基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法,计算了不同含量的Ti固溶于镁氢化合物(MgH2)中形成(MgTi)H2,析出TiH2相形成TiH2/MgH2相界的能量与电子结构。负合金形成热的计算结果表明:对MgH2进行Ti合金化,体系相结构的稳定性变差,Ti在MgH2中固溶以及TiH2/MgH2相界的存在均有利于MgH2解氢能力的增强。电子态密度(DOS)与电子密度的进一步分析发现:合金化体系解氢能力增强的主要原因在于Mg—H之间的成键作用较弱,以及Ti诱导费米能级EF处电子密度N(EF)的增加和EF附近HOMO-LU-MO能隙ΔEH-L的变窄甚至消失。

B2-YX(X=Cu,Rh,Ag,In)点缺陷结构及其基本物性的理论计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了B2-YX(X=Cu,Rh,Ag,In)金属间化合物的基本物性。通过对不同点缺陷结构形成热和形成能的计算与比较,分析和预测了B2-YX金属间化合物中点缺陷结构的种类与存在形式。结果表明:B2-YX点缺陷结构主要是X子晶格上的空位与Y子晶格上的反位,在富Y的YX金属间化合物中主要为X空位,在富X的YX金属间化合物中则主要是X反位。通过对B2-YX金属间化合物完整晶体与点缺陷结构Cauchy压力参数C12-C44和G/B0值的比较,发现点缺陷能明显提高B2-YX金属间化合物的室温塑性,推测这很可能是含有点缺陷的实际B2-YX多晶材料比无缺陷理想单晶和NiAl多晶材料表现出更好室温塑性的原因之一。

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.

Ag表面性质的第一原理计算

采用第一原理赝势平面波方法,计算了Fcc-Ag晶体及其Ag(111)、Ag(110)与Ag(100)自由表面的能量、几何与电子结构。根据表面能的计算,预测了Ag表面的结构稳定性,结果表明密排Ag(111)面结构稳定性最好,低指数奇异面Ag(100)面次之,Ag(110)面的结构稳定性最差。通过对不同表面几何与电子结构的比较,初步分析了其结构稳定性差异的产生原因。表面原子驰豫不仅引起表面几何结构的变化,而且使表面层的电子结构与键合特性发生改变。驰豫后表面层原子的部分价电子跑到了表面层以上的真空区,使表面层原子的电子态密度峰形发生变化,还新形成了表面态,这是表面能产生的主要原因,而Ag(110)表面相对于Ag(111)与Ag(110)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子显著的结构驰豫。

Al、Ti掺杂对Mg_2Ni合金相结构稳定性的影响及其微观机理

采用第一性原理赝势平面波方法,研究元素Al和Ti掺杂对Mg2Ni储氢合金相结构稳定性的影响及其微观机理。结果显示:在掺杂浓度x=0～0.5范围内,所形成的Mg2Ni型Mg2-xMxNi(M=Al,Ti)固溶体合金的相结构稳定性随Al掺杂浓度的增大而增强,随Ti掺杂浓度的增大而减弱,且Mg2-xMxNi(M=Al,Ti)固溶体合金相对于立方结构的Mg3MNi2(M=Al,Ti)化合物呈现热力学不稳定性,极易分解成由立方结构Mg3MNi2(M=Al,Ti)和六方结构Mg2Ni组成的复合相,计算结果与实验结果吻合。电子结构分析表明,Al、Ti掺杂Mg2Ni储氢合金的相结构稳定性与体系在低能级区的成键电子数密切相关。

L1_0-TiAl基本物性的计算与比较研究

为了从理论上进一步揭示L10型TiAl金属间化合物的本征物性,采用第一原理赝势平面波方法,计算了L10型TiAl金属间化合物的平衡晶格常数、合金结合能、形成热、弹性常数以及点缺陷形成能,并与其他计算方法和实验测试的结果进行了比较.点缺陷形成能的分析结果表明,富Ti合金易出现Ti反位缺陷,富Al合金易出现Al反位缺陷;双空位形成能的分析结果表明,Ti-Ti最近邻双空位形成能最低,表明这种Ti-Ti最近邻双空位最稳定.基于晶体总电子态密度与各原子分波态密度等电子结构信息,对上述计算结果进行了初步分析.

B_2-NiAl弹性性质Ag合金化效应的理论研究

采用第一原理赝势平面波方法和基于虚拟晶体势函数近似(VCA),计算了Ag合金化(浓度x<1.0%,原子分数,下同)时完整与缺陷B2-NiAl晶体的弹性性质,并采用弹性常数C44,Cauchy压力参数(C12-C44)、弹性模量E、剪切模量G及其与体模量B0的比值G/B0等,表征和评判了Ag合金化浓度x对NiAl金属间化合物延性与硬度的影响。结果表明:无论是无缺陷的理想NiAl晶体,还是含Ni空位或Ni反位的NiAl缺陷晶体,x<1%的Ag合金化均可使其硬度大幅提高;在0%～0.6%以及0.7%～1%区间,Ag将提高NiAl完整晶体材料的延性,并且以0.6%附近为最好;当x≤0.5%时,Ag合金化能改善Ni空位的NiAl多晶材料延性,并以x=0.32%～0.48%时,Ni空位的NiAl多晶延性的提升幅度尤为明显;而当1%>x>0.5%时,却可明显提高Ni反位B2-NiAl晶体的延展性,并在x=0.73%～1%区间呈现相对较好的韧化效果。上述结论归于低浓度Ag的固溶强化与高浓度Ag的富Ag相软化作用。

Cu合金化Mg_2Ni氢化物能量与电子结构的赝势平面波计算

采用基于密度泛函理论的第一原理赝势平面波方法,计算了Cu合金化前后Mg2Ni相及其氢化物的能量与电子结构。负合金形成热的计算结果表明:Cu合金化Mg2Ni形成Mg2Ni(Ⅱ)''1-xCux(x=1/3)的相结构稳定性最高,两个Cu原子最易占据Ni(Ⅱ)的(0,0.5,0.16667)与(0.5,0,0.5)位置;进一步对其氢化物的解氢反应热进行计算,发现Cu合金化后,氢化物体系解氢反应热与合金化前相比,明显降低,表明Cu合金化Mg2Ni氢化物的解氢能力增强;电子态密度(DOS)与电子密度的计算结果发现:Mg2Ni(Ⅱ)''1-xCux(x=1/3)相结构最稳定的主要原因在于:Cu合金化后氢化物在费米能级处的成键电子数N(EF)与其它结构相比最少;而Cu合金化Mg2Ni氢化物解氢能力增强的主要原因在于:Cu合金化削弱了氢化物中Mg-Ni和Ni-H间的成键作用以及相应原子在低能级区成键电子数的减少。

AL-MG合金晶粒细化及电子机制研究

采用第一原理赝势平面波法,计算了单独添加微量SC、ZR及复合添加SC、ZR后AL-MG体系的能量与电子结构。结果显示:与纯AL和AL-MG比较,AL-SC、AL-MG-SC、AL3-SC、AL-ZR、AL-MG-ZR、AL3-ZR、AL-SC-ZR、AL-MG-SC-ZR的负合金形成热与结合能增大,表明这些晶胞在AL-MG合金体系中易形成且结构稳定;对电子态密度进一步分析发现,与单独添加SC或ZR相比,复合添加SC、ZR时,晶体在费米能级附近的低能区有更多的成键电子;复合添加SC和ZR,合金体系结晶凝固时,有更多的晶粒提供非均匀形核作用的场所,因而晶粒细化的效果明显好于单独添加SC或ZR。

闪锌矿结构AlSb的嵌脱锂机理

利用第一原理赝势平面波计算方法研究具有闪锌矿结构AlSb的嵌脱锂机理。通过计算不同嵌锂相Lix(AlSb)(0≤x≤2)或Li2+yAl1-ySb(0≤y≤1)的形成能(ΔE),并结合相应的热力学原理便可得出当Li嵌入AlSb时的电压—比容量曲线图,由此进一步确认了锂在嵌入AlSb的结构时,首先是占据AlSb中的间隙位置,然后随着Li嵌入量的增加,可以逐步取代AlSb中的Al位置从而形成Li3Sb相。通过分析Li嵌入AlSb前后的能带结构及态密度图可以发现,AlSb的导电性能首先随Li嵌入量的增加而增加,当Li占据AlSb全部间隙位置后达到峰值,当Li进一步替代Al时导电性能随之降低。

掺杂V对LiNH_2解氢性能的第一原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究了V元素掺杂对LiNH2的电子结构和解氢性能的影响。计算结果显示,V元素掺杂LiNH2晶体模型的负合金形成热减少,LiNH2体系结构的稳定性减弱,合金化增强了体系的解氢能力。Mulliken集居数、电子态密度与电子密度的进一步分析发现:掺杂V以后,通过电荷补偿,N与H之间离子性相互作用增强,共价性相互作用减弱;费米能级(EF)处键峰值增大,能隙ΔEH-L变窄,LiNH2的解氢能力提高。

赝势平面波计算铀及铀化合物结构研究

构建了铀的“Vanderbilt”型USPP,能够以相对较小的计算量完成铀金属结构全优化.计算验证表明,超软赝势平面波方法对于金属铀的计算结果与全电子计算结果接近,能正确反映对铀的低温下低对称结构特点.对简单的NaCl以及CaF2结构的铀氧化物、碳化物以及氮化物晶体参数的计算结果与实验值相差不到3%.对非整数计量比UO2+x(0<x<0.25)计算的体积变化趋势与实验一致.采用所构建的赝势可以对U2C3、U2N3等复杂大晶胞结构化合物进行全优化,晶格常数相差小于3%,原子坐标相差小于5%.