基于物理模型的BaZrO_(3)钙钛矿机器学习力场

钙钛矿已经作为高性能航空发动机热障涂层陶瓷的备选材料之一。其在高温、高压和辐照等复杂环境中原子间的相互作用往往非常复杂。经验力场仅考虑了原子间的两体、三体或四体等相互作用,物理假设过于简单,对于复杂环境的势能面往往难以精确描述。机器学习力场能获得远比经验力场准确的势能面。本文采用机器学习方法,针对最常见的钙钛矿氧化物锆酸钡(BaZrO_(3)),提出了基于物理模型的机器学习力场,用来描述BaZrO_(3)这种典型钙钛矿的静态性质、相稳定性和力学性质。使用密度泛函理论数据库训练了基于物理模型的机器学习力场,计算了静态性质、相稳定性和力学性质。对于静态性质,使用纯机器学习力场和基于物理模型的机器学习力场计算了弹性常数C11、C12和C44,模拟结果与DFT相比,前者的误差为0.34%、8.75%和10.71%,后者的误差为0.34%、2.5%和7.14%,远优于经验力场。对于相稳定性,发现基于物理模型的机器学习力场继承了经验力场在维持相稳定性方面的优势,优于纯机器学习力场。对于力学性能,计算了BaZrO_(3)的四个不同晶向的杨氏模量,发现机器学习力场和基于物理模型的机器学习力场的计算结果与试验值的误差分别为9.22%和1.6%,远低于经验力场的结果。可见,将物理模型融入机器学习力场开发是提升原子模拟精准度的重要途径。

B_(2)O_(3)对BaZrO_(3)微波介质陶瓷材料性能的影响

以分析纯的BaCO_(3)、ZrO_(2)、B_(2)O_(3)为原料,采用传统固相法制备了添加x%B_(2)O_(3)(质量分数x=0.5~5.0)的BaZrO_(3)微波介质陶瓷。运用扫描电子显微镜、矢量网络分析仪和X线衍射仪等实验手段研究了不同B_(2)O_(3)添加量对BaZrO_(3)陶瓷微观结构、相组成及微波介电性能的影响。结果表明,随着B_(2)O_(3)添加量的增加,材料致密烧结温度降低,介电常数减小,介电损耗降低。当B_(2)O_(3)添加量超过1%时,有BaZr(BO_(3))2相析出。在B_(2)O_(3)添加量为3%,烧结温度为1300℃时,BaZrO_(3)陶瓷获得优异的微波介电性能:介电常数εr=33.02,品质因数与频率之积Q×f=32761 GHz,谐振频率温度系数τf=+152×10^(-6)/℃。

钙钛矿型BaZrO_(3)纳米粉体的制备及表征

采用辅助凝胶法制备BaZrO3纳米粉体,探究不同原料比、不同煅烧温度、真空气氛对BaZrO3纳米粉体的制备、晶粒尺寸、微观形貌等方面的影响规律。结果表明:在原料中摩尔比Ba∶Zr=1.1∶1,空气下1100℃+空气650℃煅烧条件下,可以得到纯的BaZrO3纳米粉体,且晶粒尺寸约为90.8nm;真空气氛下得到的BaZrO3纳米粉体晶粒尺寸更小,约为42.8nm;制备过程简单高效,所得产物纯度高,粒径小且粒度分布窄,有望应用于其他纳米陶瓷粉体的制备。

基质材料BaZrO_(3)粉体的制备及其性能研究

利用传统水热法制备BaZrO_(3)基质材料,通过XRD、SEM、TEM、粒度分布和发光光谱等测试方法对其进行表征,结果表明所得产物为立方钙钛矿结构,且锆酸钡的微观形貌为光滑且均匀的中空微球。由于立方钙钛矿结构特有的氧缺陷,其在255 nm波长激发下会产生蓝光,并且具有较高的色纯度,在发光领域作为基质材料具有潜在的应用价值。

Ti-46Al-8Nb合金定向凝固显微组织及选晶器角度对合金片层取向的影响

采用Bridgman炉结合BaZrO_(3)/Al_(2)O_(3)复合模壳对Ti-46Al-8Nb(原子分数/%)合金进行定向凝固,研究了合金的界面侵蚀层形貌、显微组织和物相组成,以及选晶器角度对选晶效果及合金片层取向的影响。结果表明:定向凝固合金底部存在厚10μm左右的侵蚀层,且随着高度增大,合金的氧含量和侵蚀层厚度增加;合金的凝固组织为由γ(TiAl)和α_(2)(Ti_(3)Al)相组成的全片层结构且无夹杂物存在;在30°~60°区间内,选晶器角度越小,选晶效率越高,但选晶器角度对合金片层取向与生长方向的夹角没有影响。

半导体用BaZrO_(3-x)Na_(2)CO_(3)粉末合金的烧结性能和电导率分析

为了提高半导体用BaZrO_(3)粉末合金的综合性能,在BaZrO_(3)混合粉末内添加不同比例的钠盐(Na_(2)CO_(3)),并加热到1 360℃保温烧结3 h,通过实验对其烧结性能和电导率进行了表征。研究结果表明:在试样断面区域形成了孔洞,大部分晶粒的粒径介于0.5~0.7μm之间。随BaZrO_(3)添加量增大至10%时,粉末合金组织中形成了分散状态小孔,获得了较高的致密度。随着烧结温度增加,试样致密度与收缩率明显升高。添加Na_(2)CO_(3)后有利于完成BaZrO_(3)粉末合金烧结过程,通过液相烧结使粉末合金组织更加致密。加入合适含量的Na_(2)CO_(3)能够使BaZrO_(3)粉末合金达到更低烧结温度,获得更优烧结效果。当温度升高后,BaZrO_(3)-Na_(2)CO_(3)粉末合金都发生了电导率上升,加入Na_(2)CO_(3)能够使BaZrO_(3)粉末合金获得更高的离子电导率。