【摘要】：作為超高溫陶瓷的重要一員,二元過(guò)渡金屬硼化物在高超聲速飛行器以及超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱結(jié)構(gòu)部件中具有廣闊應(yīng)用前景。然而該類(lèi)陶瓷的本征脆性和較差的抗氧化性限制了其潛在應(yīng)用。三元層狀可加工陶瓷MAX相的優(yōu)異性能提醒人們通過(guò)在二元硼化物晶格中加入一層或兩層Al原子形成三元過(guò)渡金屬硼化物MAB相以改善其脆性和抗氧化性能。Cr-A-B系MAB相由于可能形成致密的氧化物從而具有優(yōu)異抗氧化性能而成為近期的研究熱點(diǎn)。本論文針對(duì)該體系存在的主要化合物Cr2Al B2,Cr3Al B4和Cr4Al B6采用基于密度泛函理論的第一性原理方法預(yù)測(cè)該材料的基態(tài)性能和晶格動(dòng)力學(xué)行為,并通過(guò)比較一個(gè)假想化合物Mo Al B型化合物Cr Al B考察了MAB相晶體結(jié)構(gòu)對(duì)材料性能的重要影響。本文利用第一性原理方法對(duì)Cr-A-B陶瓷晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算得到的晶體結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)相符。對(duì)Cr-Al-B系MAB相陶瓷態(tài)密度的計(jì)算表明在費(fèi)米能級(jí)附近均具有有限電子態(tài)密度,其具有類(lèi)似于金屬的電子結(jié)構(gòu)因而是電的良導(dǎo)體。電子態(tài)密度和差分電子密度分析表明在Cr Al(Cr B2)n中B和Cr原子之間存在強(qiáng)共價(jià)鍵,而Cr-Al和B-Al鍵較弱,這預(yù)示Cr Al(Cr B2)n與MAX相具有類(lèi)似的非凡性質(zhì)。MAB相的層狀本質(zhì)和類(lèi)金屬鍵合以及與之相關(guān)的微納米層片分層、裂紋偏轉(zhuǎn)和橋連導(dǎo)致了該類(lèi)材料具有高斷裂韌性和損傷容限。該類(lèi)陶瓷表現(xiàn)出各向異性的可壓縮行為。沿著B(niǎo)-B鋸齒形/六角形鏈方向的具有最硬晶軸和由軟金屬夾層和剛性共價(jià)鍵之間的相互作用確定了最軟晶軸顯示了各向異性壓縮的壓縮行為。Cr Al(Cr B2)n中的彈性模量隨著Cr-B單元數(shù)n的增多而增加,但是密度并沒(méi)有增加。本文對(duì)Cr-Al-B陶瓷的晶格振動(dòng)和相穩(wěn)定性進(jìn)行討論。對(duì)Cr-Al-B陶瓷的聲子的色散曲線和聲子態(tài)密度研究表明,Cr Al B、Cr2Al B2和Cr4Al B6,所有頻率都是正的(實(shí)數(shù)),表明這些相的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。Cr3Al B4在簡(jiǎn)諧近似下存在虛頻。高頻聲子幾乎被B原子占據(jù),由于B原子的強(qiáng)化學(xué)鍵合和低原子質(zhì)量,而Cr和Al聲子態(tài)的頻率總是在20THz以下。利用線性規(guī)劃法對(duì)Cr-Al-B陶瓷相穩(wěn)定性的研究表明假設(shè)的Cr Al B不具有熱力學(xué)穩(wěn)定性,Cr2Al B2穩(wěn)定性最好而Cr3Al B4的穩(wěn)定性較差。Cr3Al B4和Cr4Al B6相互競(jìng)爭(zhēng)。本論文細(xì)致研究了Cr2Al B2的晶格動(dòng)力學(xué)行為及其相關(guān)的熱力學(xué)性能,包括熱膨脹、熱容、熱導(dǎo)率等。由于Cr2Al B2的高度有序堆疊,Cr2Al B2具有最高的熱導(dǎo)率。通過(guò)彎曲的B-Cr-B鍵橋接的Cr4Al B6具有相對(duì)較低的固有導(dǎo)熱率。Cr2Al B2具有明顯的各向異性膨脹性。其中沿b方向的熱膨脹明顯大于沿a和c軸方向的值。Cr2Al B2室溫到2300K的熱容可以用公式精確表示。在溫度較低時(shí)熱容增加迅速,然后線性增長(zhǎng)。在低溫時(shí),體積模量降低較慢,隨著溫度升高,體積模量幾乎是線性降低的。
【圖文】：

材料的結(jié)構(gòu)對(duì)其宏觀性能有著重要的影響，比如力學(xué)性能，導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性以及磁性能都與材料的微觀結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系[41]。所以材料結(jié)構(gòu)分析是理解材料性能和行為的重要起點(diǎn)。Cr3AlB4的晶體結(jié)構(gòu)最早在 1972 年被 Kuz'Ma[42]等人發(fā)現(xiàn)，測(cè)定 Cr3AlB4的晶格常數(shù) a，b，c 分別為 2.98 ，8.01 ，2.96 。Cr2AlB2的晶體結(jié)構(gòu)最早由Chaban[43]等人發(fā)現(xiàn)，，測(cè)定 Cr2AlB2的晶格常數(shù) a，b，c 分別為 5.07 ,，5.07 ，2.97 。2015 年 Ade[4]等人通過(guò)將原料粉末按一定配比在一定溫度進(jìn)行保溫的方法成功制備了 Cr2AlB2，Cr3AlB4和 Cr4AlB6，并對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)定。化合物CrAl(CrB2)n是與以硼基元相關(guān)的二元硼化物的簡(jiǎn)單三元變體。它們顯示出與CrB（鋸齒形鏈），Cr3B4（六邊形鏈）和 Cr2B3（六邊形雙鏈）中分別實(shí)現(xiàn)的相同的結(jié)構(gòu)單元。可以看出 CrAl(CrB2)n的晶體結(jié)構(gòu)主要由 Cr-B 層和 Cr-Al 組成，可以看成 Al 原子插入 CrB 中，B 原子之間形成鋸齒形 B-B 鏈（圖 1-2），這與MAX 相的結(jié)構(gòu)是類(lèi)似的。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文以單層存在。換句話說(shuō)，三元 Cr-Al-B 陶瓷可看作二元硼化物沿 b 軸方向插入單/雙層鋁原子而形成的。經(jīng)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，Cr 原子和 Al 原子形成一個(gè)近似體心立方的局部排列，而 Cr-B 層仍然具有二元硼化物 CrB（CrAlB）或 CrB2（Cr2AlB2、Cr3AlB4、Cr4AlB6）的原子排列方式。在 Cr3AlB4和 Cr4AlB6，在 Cr-B 層 B 原子形成一個(gè)平面六圓環(huán)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V254.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 琚行松;趙紅麗;;LDA和GGA泛函優(yōu)化銳鈦礦相TiO_2結(jié)構(gòu)比較[J];唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào);2010年02期

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1 柏躍磊;燃燒合成塊體Ti_2AlC的性能表征及MAX相的第一性原理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

2 郝愛(ài)民;Hg系硫化物的高壓電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)研究[D];吉林大學(xué);2007年

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1 李瑜慶;外壓下TiN、Ti-Si-N結(jié)構(gòu)和性能的第一性原理研究[D];內(nèi)蒙古科技大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2679871