二价金属元素掺杂对LiCoO2体系电子输运性质的影响

为了解释Ca掺杂与Mg掺杂在影响锂离子二次电池正极材料LiCoO2体系电子输运性质方面的不同效应,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了该体系的电子结构.计算结果表明,虽然在LiCoO2体系中用Ca或Mg替代Co都会在费米能级附近产生部分占据的受主带,但两者对应的电子态都具有明显的局域化特征;此外,与Mg掺杂体系明显不同的是,Ca掺杂体系的受主带与价带之间存在清晰的带隙.这一带隙的存在正是Ca掺杂不能明显提高LiCoO2体系电导率的主要原因.此外,Ca2+与Mg2+离子半径的较大差别也是造成这两个掺杂体系的电导率存在明显差异的一个重要因素.     

Ti掺杂对高熵合金FeCrVMoTix(x=0-1)结构和力学性能的影响

采用第一性原理方法研究了Ti对高熵合金FeCrVMoTi_x结构、弹性和塑性的影响.分别用混合焓、原子尺寸差、价电子浓度、相对熵效应和结合能评价FeCrVMoTi_x结构的稳定性,研究发现BCC型的FeCrVMoTi_x在x=0.0-0.9范围内都是结构稳定的.另外,弹性和塑性的计算发现,块体模量随Ti的增加而线性减小.剪切模量和杨氏模量首先随x的增加而变大,然后达到最大值,最后随x的进一步增加而快速减小. Ti的掺杂有助于提高FeCrVMoTi_x的屈服强度和抗拉强度,其中FeCrVMoTi_0.57的拉伸性能最好.热力学的计算表明压强能够抑制FeCrVMoTi_0.57的体膨胀系数,并增强其德拜温度.     

W-Cu合金力学性能的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理分析方法的CASTEP软件,计算了W-Cu_x(x=6.25,12.5,18.75,25,31.25,37.5,43.75,50)合金的晶格参数、体模量、剪切模量、杨氏模量等力学常数,还计算了焓变值、能带结构、电子态密度和电荷布局,研究Cu不同含量对W-Cu合金力学性能的影响.结果表明：Cu的添加会增加W基体触头材料的可塑性,韧性大小随着Cu含量的升高而增加,在掺杂比例为43.75%时达到最大值,韧性增加使得产生微裂纹的概率减小;另外还计算了W-Cu合金的态密度、能带结构和电荷布局,结果表明随着Cu含量的增加,共价性降低,金属性增强,便于加工成型.     

Pd掺杂对NiTi合金马氏体相变和热滞影响的第一性原理研究

一定浓度的Pd掺杂能够有效地提高Ni Ti合金的相变温度,并且降低热滞.为了解其作用机理,采用第一性原理计算方法,对不同Pd掺杂浓度下Ni Ti合金(Ni24-n Pd n Ti24,n=2,3,4,5,6,9,12;掺杂浓度分别为4.2 at.%,6.3 at.%,8.4 at.%,10.4 at.%,12.5 at.%,18.8 at.%,25 at.%)的相稳定性和结构特性进行计算讨论.马氏体相变温度可以通过奥氏体与马氏体两相能量差值进行分析,且能量差越大相变温度越高;相变过程中两相晶格常数之比越接近于1则热滞越接近于0.计算结果表明:当掺杂浓度小于10.4 at.%时,B19′是最稳定的马氏体相,体心四方(BCT)结构与B19′相的能量差随掺杂浓度的增加略有下降;当掺杂浓度大于等于10.4 at.%时,B19相是最稳定的马氏体相,BCT与B19的能量差随着掺杂浓度增加显著升高.这意味着在掺杂浓度大于等于10.4 at.%时相变温度随掺杂浓度的增加而显著增加.用几何模型分析了马氏体相变的热滞,结果表明掺杂浓度为10.4 at.%时B2到B19相的相变过程热滞最小,与实验结果一致.     

氧掺杂对钠在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯(P-graphene)和氧掺杂的石墨烯(O-graphene)吸附钠原子的吸附能、电荷密度、态密度以及储存量.结果表明,两种石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置都是H位. O-graphene对钠原子的吸附能是-4.347 eV,比P-graphene对钠原子的吸附能(-0.71 eV)低很多. O-graphene中钠原子与氧原子和碳原子发生轨道杂化,P-graphene中没有杂化现象. O-graphene能够吸附10个钠原子,较P-graphene多.因此,O-graphene更适合储钠.     

Sb掺杂对透明SnO2薄膜导电性能影响的第一性原理计算

本文根据密度泛函理论（DFT），采用第一性原理平面波赝势方法，计算了Sb掺杂对透明导电薄膜SnO2电子结构及导电性能的影响，讨论了掺杂下SnO2晶体的结构变化、能带结构、电子态密度．计算结果表明，Sb掺杂的SnO2具有高的电导率，且随着掺杂浓度的增加，能带简并化加剧，浅施主杂质能级向远离导带底方向移动．     

Ti、Cr对钒抗氧化性能影响的第一性原理研究

高温氧化是限制钒合金应用的主要原因之一。利用第一性原理计算了Ti、Cr杂质原子掺入钒基体后,O在钒合金中的杂质形成能的变化。结果表明：O杂质原子在钒中占据八面体间隙位更稳定,且杂质形成能为-4.65eV,Ti掺杂会降低O的杂质形成能,使O在晶体内部扩散更容易,Cr掺杂的情况与Ti掺杂相反。并且还计算了体系电子结构、布局分布和电荷密度,进一步分析所得到的结论与杂质形成能的计算结果一致。     

Ti、Cr对钒抗氧化性能影响的第一性原理研究

高温氧化是限制钒合金应用的主要原因之一。利用第一性原理计算了Ti、Cr杂质原子掺入钒基体后，O在钒合金中的杂质形成能的变化。结果表明：O杂质原子在钒中占据八面体间隙位更稳定，且杂质形成能为-4.65eV，Ti掺杂会降低O的杂质形成能，使O在晶体内部扩散更容易，Cr掺杂的情况与Ti掺杂相反。并且还计算了体系电子结构、布局分布和电荷密度，进一步分析所得到的结论与杂质形成能的计算结果一致。     

BCC结构TiCrTaV合金的电子结构及力学性能的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算TiCrTaV多组元合金中两种BCC结构的结构稳定性、力学性能、德拜温度、电子结构和布居分析. 生成焓和内聚能结果表明BCC1的结构稳定性更好,更容易形成. 弹性常数和模量表明BCC1的强度和韧性更强,BCC2的抗剪切能力和刚度更好,两种结构均具有弹性各向异性. 德拜温度和Grüneisen参数结果表明BCC2的键合强度和热稳定性更好. 电子结构和布居分析表明两种结构均包含共价键和金属键. Ta原子形成的共价键强度更大,金属键仅存在于Ti、Cr和V原子之间. 元素成键后Ti和V原子失去电子,Cr和Ta原子得到电子.     

BCC结构TiCrTaV合金的电子结构和力学性能的第一性原理计算

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算TiCrTaV多组元合金中两种BCC结构的结构稳定性、力学性能、德拜温度、电子结构和布居分析.生成焓和内聚能结果表明BCC1的结构稳定性更好,更容易形成.弹性常数和模量表明BCC1的强度和韧性更强,BCC2的抗剪切能力和刚度更好,两种结构均具有弹性各向异性.德拜温度和Grüneisen参数结果表明BCC2的键合强度和热稳定性更好.电子结构和布居分析表明两种结构均包含共价键和金属键. Ta原子形成的共价键强度更大,金属键仅存在于Ti、Cr和V原子之间.元素成键后Ti和V原子失去电子,Cr和Ta原子得到电子.     

金属氢化物力学性能的第一性原理研究

采用第一性原理方法详细研究了氟化钙结构的多种金属氢化物MH₂ (M= La, Nd, Gd, Tb, Y, Dy, Ho, Er, Lu, Sc, Ti, Zr, Hf)的力学性质(弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量).计算结果表明, MH₂ (M= La, Nd, Gd, Tb, Y, Dy, Ho, Er, Lu, Sc)在低温下具有稳定的氟化钙结构,其抵抗体积形变, 切应变和拉伸(或压缩)形变的能力从LaH₂, NdH₂, GdH₂, TbH₂, YH₂, DyH₂, HoH₂, ErH₂, LuH₂到ScH₂逐次递增, 而MH₂ (M= Ti, Zr, Hf)在低温下的氟化钙结构不稳定.通过对两种稳定的氢化物(TbH₂, ErH₂) 和两种不稳定的氢化物(TiH₂, HfH₂)的电子态密度以及差分电荷密度进行对比, 发现它们的稳定性与金属和氢之间的相互作用有密切关系.     

第一性原理研究反Heusler合金Ti2RuSn的Y位Rh掺杂效应

本文基于第一性原理计算方法,通过对具有半金属性的反Heusler合金Ti2RuSn的Y位进行多d电子掺杂,来探究其掺杂前后的相关特性及掺杂机理,以便寻求半金属性更稳定的Heusler合金材料,为后续相关理论研究及实验提供一定参考。在掺杂过程中随着Rh元素掺杂浓度的增加,反Heusler合金Ti2RuSn的磁性呈线性增加,由未掺前的2μB增加到全掺时的3μB,同时其半金属性并未受到破坏且其带隙在逐渐变宽。在掺杂浓度为75%时,掺杂体的带隙宽度由未掺前的0.45 eV展宽到0.54 eV,同时费米面被调节到带隙中部靠上位置,这说明化合物Ti2Ru0.75Rh0.75Sn较未掺杂前具有相对稳定的半金属性。为分析掺杂体系的稳定性,我们计算了它们的相对形成能,结果表明,在掺杂浓度范围内,体系的形成能都为负值,并且掺杂浓度越高,其值越低。这说明反Heusler合金Ti2RuSn容易受到掺杂元素Rh的影响,并且大浓度的Rh掺杂可以有效地调节反Heusler合金Ti2RuSn的电子结构及能带结构,得到稳定性更好,使用性能及实用性更高的Heusler合金化合物。     

Effects and mechanism of ultrasonic irradiation on solidification microstructure and mechanical properties of binary TiAl alloys

In spite of their high temperature and reactivity, the binary TiAl alloys are successfully imposed by the ultrasonic irradiation and the microstructure evolution, solidification behaviors and mechanical properties are elaborately investigated. After ultrasonic irradiation, a high quality ingot without shrinkage defects and element segregation is obtained and the coarse dendrite structure is well modified into fine non-dendrite globular grains. The coarse lamellar colony and lamellar space of Ti44Al alloy is refined from 685 μm to 52 μm and 1185 nm to 312 nm, respectively (similarly, 819 μm to 102 μm and 2085 nm to 565 nm for Ti48Al alloy). For Ti48Al alloy, the α peritectic phase is simultaneously precipitated from the melt as well as the β primary phase before the peritectic reaction and the solidification is transformed into the mixed α-solidifying and β-solidifying. Ultrasonic irradiation promotes the peritectic reaction and phase transformation completely and the phase constituent becomes more close to the equilibrium level. The compressive strength of Ti44Al and Ti48Al alloys are increased from 623 MPa to 1250 MPa and 980 MPa to 1295 MPa, respectively. The grain refinement and dendrite transformation enhance the grain boundary sliding improving the plastic deformation ability. Ultrasonic irradiation significantly accelerates the melt flow and solute redistribution and the main grain refinement mechanism is the cavitation-enhanced nucleation by inclusion activation and heightened supercooling.     

二价金属元素掺杂对LiCoO2体系电子输运性质的影响

为了解释Ca掺杂与Mg掺杂在影响锂离子二次电池正极材料LiCoO₂体系电子输运性质方面的不同效应，采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了该体系的电子结构.计算结果表明，虽然在LiCoO₂体系中用Ca或Mg替代Co都会在费米能级附近产生部分占据的受主带，但两者对应的电子态都具有明显的局域化特征；此外，与Mg掺杂体系明显不同的是，Ca掺杂体系的受主带与价带之间存在清晰的带隙.这一带隙的存在正是Ca掺杂不能明显提高LiCoO₂体系电导率的主要原因.此外，Ca²⁺与Mg²⁺离子半径的较大差别也是造成这两个掺杂体系的电导率存在明显差异的一个重要因素.     

Nb掺杂对Mo2FeB2弹性、硬度和电子结构影响的第一性原理计算

Mo₂FeB₂具有耐高温、耐磨、高强度,是一种良好的硼基金属陶瓷材料,在模具领域有很广阔的应用前景.本文采用第一性原理计算的方法,研究了Nb元素掺杂Mo₂FeB₂合金的结构稳定性、弹性、硬度和电子结构.结合能和生成焓的计算结果表明,Nb在Mo₂FeB₂中更容易占据Fe位置,并且在Fe位掺Nb的Mo₂FeB₂比在Mo位处掺Nb具有更好的力学性能.此外,计算结果还表明,Nb掺杂可以提高Mo₂FeB₂的剪切模量、杨氏模量、体积模量和硬度,但塑性略有下降,合适的掺杂浓度应为2.5 at.%.电子结构计算结果表明,Nb掺杂Mo₂FeB₂力学性能的提高可归因于Nb-B共价键的形成.     

Effects of alloying element on stabilities,electronic structures,and mechanical properties of Pd-based superalloys

The thermodynamic stabilities, electronic structures, and mechanical properties of the Pd-based superalloys are studied by first principles calculations. In this work, we discuss the effect of Pd-based superalloys made from Al, Si, Sc, Ti,V, Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir and Pt, and we also calculate a face centered cubic(fcc)structure 2 × 2 × 2 superalloy including 31 Pd atoms and one alloying element T M(Pd_(31)TM). The mixing energies of these Pd-Based superalloys are negative, indicating that all Pd-based superalloys are thermodynamically stable. The Pd_(31)Mn has the lowest mixing energy with a value of-0.97 eV/atom. The electronic structures of the Pd-based superalloys are also studied, the densities of states, elastic constants and moduli of the mechanical properties of the Pd-based superalloys are determined by the stress-strain method and Voigt–Reuss–Hill approximation. It is found that Pd_(31)TM is mechanically stable, and Pd_(31)Tc has the largest C_(11), with a value 279.7 GPa. The Pd_(31)Cr has the highest bulk modulus with a value of299.8 GPa. The Pd_(31)Fe has the largest shear modulus and Young's modulus with the values of 73.8 GPa and 195.2 GPa,respectively. By using the anisotropic index, the anisotropic mechanical properties of the Pd_(31)T M are discussed, and threedimensional(3 D) surface contours and the planar projections on(001) and(110) planes are also investigated by the Young modulus.     

Thermal stability of microstructures and mechanical properties in a Fe-based Fe-Cr-Mn-Cu-Mo multi-component alloy

A Fe-based multi-component alloy, 60Fe-12Cr-10Mn-15Cu-3Mo, was designed and fabricated for nuclear applications in the present study. The crystal structure of the alloy is a ～85% body – and 15% face–centered cubic. A detailed microstructure analysis indicated that Cu segregated in the alloy to form Cu-rich precipitates, and the Cu precipitates grew during high temperature annealing at up to 773?K. The high temperature tensile test of the alloys showed that both the yield stress and tensile strength of the 60Fe-12Cr-10Mn-15Cu-3Mo were greater than those of typical austenitic and ferritic stainless steels at 773?K. The Vickers microhardness of the designed alloy did not change after high temperature annealing for 1?h at up to 1073?K. The results indicated that the designed alloy has the potential to be used for high temperature applications.     

熔融TiAl合金纳米粒子在TiAl(001)基底表面凝结过程中微观结构演变的原子尺度模拟

采用基于嵌入原子方法的分子动力学方法模拟了附着于TiAl合金(001)面的TiAl合金纳米粒子在不同温度下的原子堆积结构演变. 在模拟中, 熔融态(1500 K)的纳米粒子先被放置在温度分别为1100, 1000, 900, …, 200和100 K的基体(001)面, 随后急冷降温至基体温度. 通过逐层分析粒子内和基体表面的原子排列情况, 发现温度主要影响粒子内的原子堆积结构. 当基体温度很高时, 粒子内除了靠近基体的几个原子层外, 其他区域内均未形成有序的原子堆积结构. 随基体温度降低, 粒子内大部分原子逐渐形成了有序的原子堆积结构, 且粒子内出现了一个以基体(001)晶面为底面、以基体[101], [101], [011], [011]晶向为轴的近四棱锥形内区域, 此区域内外的原子均呈有序排列, 但原子面的取向不同, 因而形成了明显的界面. 随基体温度进一步降低, 这个内区域仍然存在但其体积不断减小, 同时在纳米粒子顶部有越来越多的原子再次呈现无序排列, 使此内区域愈加难以辨别.     

PtN2的结构和力学性质的第一性原理计算

采用平面波赝势密度泛函理论方法计算了PtN₂的坐标、平衡态的晶格常数、体弹模量、剪切模量和弹性常数,计算结果与已有的实验值和理论值符合较好.通过能量与体积曲线,可知ST_AA结构比黄铁矿结构具有更低的能量.根据计算结果和Pugh提出的经验判据,PtN₂是易脆的硬物质,随着压强增加PtN₂的脆性逐渐过渡到延性.两种结构的能带结构和态密度表明了黄铁矿结构的PtN₂是半导体而ST_AA 关键词： 2')" href="#">PtN₂ 第一性原理 力学性质     

金属掺杂钨基合金阴极的二次电子发射系数研究

实验中制备了W-Re,W-Sc,W-Zr,W-Y合金阴极,其中Re,Sc,Zr,Y元素所占合金阴极材料的质量分数都为5%。二次电子发射系数测试结果显示,Re掺杂合金阴极对提高纯钨阴极二次电子发射能力显著,掺杂5% Re的W-Re合金阴极材料具有最大二次电子发射系数,其值为1.8,相比于纯钨阴极,能够提高80%。鉴于Re对提高纯钨阴极二次电子发射能力显著,对Re掺杂质量分数分别为20%,10%,6%,5%,4%,3%W-Re合金阴极材料二次电子发射系数进行了研究,发现随着Re在W-Re合金阴极材料中含量的降低,其二次电子发射系数在不断增大,仅当Re含量下降至5%左右时,合金阴极具有最大二次电子发射系数,继续下降至4%,合金阴极二次电子发射系数不但没有升高,相反下降至1.41,当下降至3%时,合金阴极二次电子发射系数值迅速降低为1.1。