三元层状陶瓷Ti_(n+1)(Sn_xAl_(1-x))C_n(n=1,2)材料特性的理论研究

【摘要】：近年来,三元层状MAX相材料由于其既有传统陶瓷材料的优良性能,如高温下的化学稳定性、耐腐蚀性和抗氧化性等,又有金属材料的完美特性,如抗热震、易加工、较高的热导率和电导率等,因而又被称之为——金属陶瓷,引起了人们极大的关注。MAX相陶瓷材料的发现不过短短数十载,却也取得了斐然的研究成果,目前关于此类新型材料的研究主要有三个方面(一是MAX相陶瓷材料合成纯度的提高,二是MAX相陶瓷材料性能的强化改善,三是新MAX相材料的合成),而本论文中所研究的只是其中一种——MAX相材料性能的强化。在本论文中,通过对Ti_3AlC_2和Ti_2AlC晶体中Al元素位置进行Sn替代掺杂构建出Ti_3(Sn_xAl_(1-x))C_2和Ti_2(Sn_xAl_(1-x))C固溶体结构模型,并采用第一性原理(first-principles)计算系统的对比研究了随着Sn原子掺杂浓度变化(即x值从0、0.25、0.5、0.75到1,每次取值间隔0.25变化),该固溶体体系的结构特性、相位稳定、电子结构、力学性质、热性能、晶格热导率以及光学性质等特征变化,计算结果表明:Ti_3(Sn_xAl_(1-x))C_2固溶体具有金属性,都是热力学和力学稳定的脆性材料;Sn原子掺杂能在一定程度上提高材料的力学性能,当Sn原子掺杂浓度为0.75时有最大的体积模量,而掺杂浓度为0.5时有最大剪切模量。此外,Ti_3(Sn_xAl_(1-x))C_2固溶体都具有较高的熔点和德拜温度,其中Ti_3AlC_2、Ti_3(Sn0.25Al0.75)C_2和Ti_3(Sn0.5Al0.5)C_2在室温下的晶格热导率均能达到40 W/(m·K)以上,是良好的导热性材料。同时,Ti_3(Sn_xAl_(1-x))C_2固溶体在低能量范围内具有高度的各向异性,而Ti_3(Sn_xAl_(1-x))C_2(x=0.25,0.5,0.75)在5.0-9.5 eV能量范围以及Ti_3AlC_2和Ti_3SnC_2在10.0-16.4 eV的能量范围内出现的较高的反射系数,是有前途的好材料。Ti_2(Sn_xAl_(1-x))C固溶体体系是热力学和弹性稳定的,同时都是脆性材料。论文中,利用Slack方程通过温度T计算了Ti_2(Sn_xAl_(1-x))C固溶体体系的晶格热导率,并利用Clarke方程计算了该体系的最低热导率。此外,还计算了Ti_2(Sn_xAl_(1-x))C固溶体体系的德拜温度和熔点,计算结果显示该体系材料均有着相对较高的德拜温度和熔点,并有着相当良好的导热系数。