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《湘潭大学》 2010年 硕士论文
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铝基金属间化合物电子结构和力学性质的第一性原理研究

杨春娣  
【摘要】: 铝基金属间化合物有诸多优异的性能如低密度、高的比强度、优异的抗氧化和耐腐蚀性,在航空航天、国防军工及日常生活用品中得到广泛的应用。近年来的大量研究表明,电子结构决定材料的力学性质。考虑实验条件的限制如实验方法上的缺陷、实验设备的昂贵,实验操作的复杂性,这些因素使得测试结果不准确,实验上对铝基金属间化合物的研究较少,从电子层次上对铝基金属间化合物的力学性质进行研究则更少。而在原子、电子尺度上基于密度泛函理论的第一性原理方法能准确地预测物质的各种性质。本论文运用了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了铝基金属间化合物的晶体结构、电子结构和力学性质。论文主要分为两部分:第一部分详细分析了Al-Cu金属间化合物的电子结构及力学性质之间的关系;第二部分研究了点缺陷对立方结构铝基金属间化合物电子结构和力学性质的影响。具体内容如下: 1.基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了铝铜系列中几种重要金属间化合物(Al2Cu、Al3Cu2和AlCu3)的晶体结构和电子结构。通过计算它们的表面电子功函数、延展性、电子态密度和电荷密度,定性地解释了其延展性的差异。并进一步探讨了合金电子结构与延展性之间的关系,特别是电子功函数同合金材料脆性或延展性之间的关系。结果发现:延展性随着金属间化合物电子功函数的增加而减小,除了AlCu3。这主要归因于电荷的转移,一方面由于铜的电负性大于铝的电负性,在原子弛豫的时候,会使原子从电负性小向电负性大的铜原子移动,从而引起电荷分布的变化,电荷分布的变化又引起表面偶极子势的增加,因而使得电子功函数增加;另一方面材料的力学性能由电荷密度分布的均匀性和对称性来决定,对称性越好,说明材料的可塑性越好。 2.基于第一性原理研究点缺陷对立方结构铝基合金电子结构和力学性质的影响。计算了空位下的晶格常数和平衡体积,发现计算得到的平衡晶格常数与实验值吻合较好;点缺陷形成能的计算表明AlCu3比AlNi3更易形成空位;形成能和结合能的研究表明Al7Cu24和Al7Ni24具有较好的结构稳定性和延展性;杨氏模量、切变模量、泊松比和各向异性因子等力学参量的计算发现,对于空位结构计算得到的晶格常数和弹性常数与已报道的实验及计算值相吻合,Al7Cu24和Al7Ni24满足立方结构机械稳定性条件;态密度和电荷密度合理地解释了空位对合金的结构稳定性和力学性质的影响。


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