磁控溅射(Ti,N)/Al纳米复合薄膜的微结构和力学性能

采用Al和TiN靶通过磁控共溅射方法, 制备了一系列Ti:N≈1的不同(Ti, N) 含量的铝基纳米复合薄膜, 利用X射线能量分散谱仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜和纳米力学探针表征了薄膜的成分、 微结构和力学性能, 研究了(Ti, N)含量对复合薄膜微结构和力学性能的影响. 结果表明: Ti, N原子的共同加入使复合薄膜形成了同时具有置换固溶和间隙固溶特征的"双超过饱和固溶体", 薄膜的晶粒随着溶质含量的增加逐步纳米化, 并进一步形成非晶结构, 晶界区域形成溶质原子的富集区. 相应地, 复合薄膜的硬度在含1.8 at.%(Ti, N) 时就可迅速提高到3.9 GPa; 随着TiN含量的增加, 薄膜的硬度进一步提高到含17.1 at.%(Ti, N)时的8.8 GPa. 以上结果显示出Ti和N"双超过饱和固溶"对Al薄膜极其显著的强化效果.     

碱金属在磷烯表面吸附和迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的平面波赝势方法研究了碱金属(Li、Na、K)-磷烯体系,分析了体系的吸附性质、电学性质和迁移行为.结果表明:碱金属在磷烯表面的最稳定吸附位都是H位.吸附过程中电荷由碱金属原子转移到磷烯,碱金属-磷烯体系表现出一定的离子性.碱金属-磷烯体系的吸附能从大到小为ΔE_(Li-磷烯)ΔE_(K-磷烯)ΔE_(Na-磷烯).Li→Na→K,随着原子序数的递增,体系的离子性逐渐增强;碱金属原子越来越容易在磷烯表面迁移.     

碱金属在磷烯表面吸附，迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的平面波赝势方法研究了碱金属（Li、Na、K）−磷烯体系,分析了体系的吸附性质、电学性质和迁移行为. 结果表明：碱金属在磷烯表面的最稳定吸附位都是H位.吸附过程中电荷由碱金属原子转移到磷烯,碱金属−磷烯体系表现出一定的离子性. 碱金属−磷烯体系的吸附能从大到小为ΔELi−磷烯大于ΔEK−磷烯大于ΔENa−磷烯. Li→Na→K,随着原子序数的递增,体系的离子性逐渐增强;碱金属原子越来越容易在磷烯表面迁移.     

基于第一原理拟合Ti,Si,N原子间作用势

为了实现对Ti-Si-N纳米薄膜的原子尺度仿真,本文根据第一原理计算结果,采用Morse势对Ti,Si,N之间作用势进行拟合,并利用TiN二维拉伸模型进行验证。拟合结果表明,采用简单作用势拟合第一原理结果,此方法简单有效,为将来对Ti-Si-N纳米复合材料的仿真奠定了基础。     

共溅射Al-Zr合金薄膜的非晶化及其力学性能

为研究合金薄膜非晶化后力学性能持续提高的原因,通过双靶磁控共溅射方法制备了一系列不同Zr含量的Al-Zr合金薄膜,采用EDS,XRD,TEM和纳米力学探针表征了薄膜的微结构和力学性能.结果表明:在溅射粒子高分散性和薄膜生长非平衡性的共同作用下,较低Zr含量的薄膜形成超过饱和固溶体,剧烈的晶格畸变使薄膜的晶粒纳米化,其硬度相应迅速提高.随Zr含量的进一步增加薄膜形成非晶结构,非晶薄膜的硬度因Al-Zr键数量的增加持续提高,并在含33.3 at.%Zr达到9.8 GPa后增幅减缓.研究结果揭示了非晶薄膜中Al-Zr键对薄膜力学性能的显著作用.     

VC的力学性能及电子结构的第一原理研究

为了解VC的本征特性,本文采用第一原理计算的方法对VC晶体的力学性能和电子结构进行了研究。本文利用三种特殊应变计算了VC的弹性常数,推导出其力学常量及断裂强度;并根据电荷密度图、能带图和态密度图对VC的基本键合情况进行了研究。本研究表明VC具有高的弹性模量,延展性与TiC类似,刚度及断裂强度也较高;VC中的化学键可以归为共价键为主,兼有金属性、离子性的混合键。     

超过饱和固溶W-B合金力学性质的第一性原理研究

针对小原子元素在金属合金中可同时提高硬度和韧性的现象,本文采用基于第一性原理方法,研究了W-B合金的超过饱和固溶结构和力学性能.计算结果表明：无论是几何结构的晶格畸变,还是热力学上的结合能,B原子以置换形式固溶于W晶体中均优于其他固溶形式,这主要是由于置换B原子与周围W原子形成以共价型为主兼有离子型的键合作用.在合金中添加B元素虽然降低了合金材料的弹性模量,杨氏模量由414.34 GPa降低至338.36 GPa,但却显著增加了材料的韧性,B/G值由1.97提高到2.30(纯W晶体相较于B含量6.25 at.%时).并且合金的各向异性显著地减弱.另外,合金中B元素的添加,还使得材料理想剪切强度和最大应变值也得到了增加,分别由原来的19.981 GPa和0.187增加至21.814 GPa和0.209.这说明B元素在W合金中的超过饱和固溶不仅增加了合金的强度,还提高了合金的韧性.     

基于第一原理计算拟合Ti,Si,N原子间作用势

为了实现时Ti-Si-N纳米薄膜的原子尺度仿真,本文根据第一原理计算结果,采用Morse势对Ti,Si,N之间作用势进行拟合,并利用TiN二维拉伸模型进行验证.拟合结果表明,采用简单作用势拟合第一原理结果,此方法简单有效,为将来对Ti-Si-N纳米复合材料的仿真奠定了基础.     

铝阳极氧化过程中氢对氧迁移影响的理论研究

为了研究铝阳极氧化过程中离子在阳极反应中的行为，利用第一性原理研究了氢原子对氧原子在铝(111)表面的吸附迁移行为的影响及氧原子向铝晶体内部的渗透行为的影响.结果表明，由于“抽象”(abstract)效应，氢原子的存在大大降低了氧进入铝晶体的能垒.氢原子的引入也影响了氧原子在铝晶体中的扩散，这可以显著降低氧原子在四面体间隙位置之间迁移的活化能(从1.23eV到0.35eV).这些结论助于我们了解阳极氧化过程和离子迁移过程.