固体与分子经验电子理论在材料研究中的应用

介绍了固体与分子经验电子理论(EET)的发展,综述了EET理论在钢、铸铁、钛合金、铝合金、镁合金等金属材料和陶瓷等材料中的应用,评述了价电子结构对合金的力学性能、磁性能、相变、熔点等的影响,展望了EET理论的应用与发展前景。

(Ti,Me)C-Fe金属陶瓷界面电子结构与性能的关系

根据固体与分子经验电子理论(EET)以及异相界面电子结构模型,系统计算了(Ti,Me)C/Fe系列金属陶瓷界面电子结构(Me=Mo、W、V、Nb、Ta),初步分析了其界面电子结构与界面润湿、金属陶瓷力学性能之间的关系,结果表明:Me的添加使TiC/Fe金属陶瓷界面电子密度增大,界面润湿改善,改善界面润湿的能力从大到小排列为:Mo、W>Nb、Ta>V;另外,Me的加入使TiC/Fe金属陶瓷界面电子密度差增大,界面应力增大,有利于陶瓷晶粒的细化和提高界面结合强度,Mo、W添加剂能有效提高TiC/Fe金属陶瓷界面强韧性。

Al_3Fe价电子结构及其对Al-Fe合金性能的影响

基于EET理论计算并分析Al3Fe的价电子结构与合金第二相强化、高温稳定性、范性的关系。结果表明,Al3Fe最强共价键(n1Al3Fe=1.0834)键合强度远大于γ-Mg17Al12(n1γ-Mg17Al12=0.3455)和Mg2Si(n1Mg2Si=0.3241)的键合强度,有利于合金强度的提高。Al3Fe的成键能力FvAl3Fe(729.87)远大于γ-Mg17Al12(Fvγ-Mg17Al12=44.22)和Mg2Si(FvMg2Si=42.76)的成键能力,有利于合金稳定性的增强。Al3Fe的晶格电子密度ρ1Al3Fe(8.6357%)小于α-Al(ρ1α-Al=15.6808)与Mg2Si(ρ1Mg2Si=21.6478)的晶格电子密度,Al3Fe晶胞中强、弱键分布nα不均,不利于合金的范性。

Al-Cu-Mg合金析出相的原子成键与性能

根据固体与分子经验电子理论(EET),计算Al-Cu-Mg合金时效初期形成的GPB区和S″相的价电子结构。结果表明,GPB区具有较强的共价键络,而S″具有较强的总共价成键能,这两种析出相的主体共价键络都对合金基体具有增强作用。同时从价电子结构层次和析出相中Al原子的总成键能力合理解释了GPB区演化为S和S相的相变机理,并说明了相变对合金的强化作用。

用价电子理论分析Y对Mg-Al合金力学性能的影响

基于EET理论,计算Y元素加入Mg-Al合金后形成的Mg-Al-Y固溶体、第二相Al2Y的价电子结构,研究价电子结构与合金固溶强化、第二相强化、高温稳定性的关系。Mg-Al-Y最强键共价电子对数nA值和共价电子密度ρVC值均大于α-Mg的nA值和ρVC值,表明Y元素的固溶有利于基体强度的提高。第二相Al2Y的最强键(nA=0.39704)的键合强度远大于基体α-Mg(nA=0.11199)的键合强度,因此,Al2Y极大的阻碍了位错的运动,提高了合金的强度。Al2Y的单位体积成键能力FVAl2Y值为103.81,与γ-Mg17Al12(FVγ-Mg17Al12=44.22)相比较,Al2Y的高温稳定性更好,其存在有利于改善Mg-Al合金的高温性能。

二维金属有机框架材料Ni_(3)C_(12)S_(12)的力学性质和电子结构

二维金属有机框架材料是一种新型的二维材料,广泛应用于自旋电子器件、催化电极和气体传感等领域。文章采用第一性原理方法系统地研究了二维金属有机框架Ni_(3)C_(12)S_(12)的结构稳定性、力学性质和电子结构。电荷分析表明C-C和C-S为共价键,而S-Ni为离子键。分子动力学模拟表明该材料具有良好的结构稳定性,应归功于材料中各元素电子轨道的交互作用。计算了该材料的力学性质,其杨氏模量为31.7N/m,泊松比为0.403,剪切模量为11.308N/m。能带结构和态密度显示Ni_(3)C_(12)S_(12)是一种无磁性的间接带隙半导体材料,并存在自旋轨道耦合带隙,有望实现量子自旋霍尔效应。