鋯合金和新型陶瓷材料結構與性能的理論研究.pdf

1、目前空間飛行器關鍵構件所用的鋼鐵材料在復雜苛刻的空間環(huán)境下難以滿足長期服役的技術要求，需要發(fā)展高強韌化、輕量化等綜合性能更加優(yōu)異的新材料體系。研究表明鋯合金在未來航天器關鍵活動構件具有重大的潛在應用價值，而理論開展鋯合金研究可以縮短實驗研究周期，為材料改性提供理論支持。此外，實驗上合成了由過渡金屬、IIIA或IVA以及C或N元素組成的新型層狀材料，這類材料兼有金屬和陶瓷的諸多優(yōu)點，這與組元、晶體和微觀結構緊密相關，深入研究這類材料結構與

2、性能之間的關系是一項重要課題。尤其是這類陶瓷材料內稟脆性大大限制了其應用，而脆性的物理機制存在較大的爭議，同時該類材料在拉伸和剪切應力下的結構穩(wěn)定性，以及相應的強度是待解決的問題。本文利用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，研究了摻雜輕質元素對CuZr和TiZr的拉伸強度和微觀結構的影響，探討摻雜輕質元素對其拉伸強度的影響機理；研究了幾類典型陶瓷材料的結構、電子結構以及外界施加的拉伸和剪切應力下的結構穩(wěn)定性。主要研究結果如下：

3、　　1、研究了摻雜輕質元素CuZr和TiZr的微觀結構和拉伸強度，得到了沿不同晶向的拉伸強度與摻雜成份和濃度的關系，利用化學鍵在拉伸應力下的穩(wěn)定性探討了其結構穩(wěn)定性的微觀機制，基于Mulliken布局數分析了造成不同體系沿不同晶向的拉伸強度差異的物理機制。計算結果表明低濃度的摻雜導致了相鄰晶面Ti（或Cu）和Zr之間共價鍵的減弱，不存在使得摻雜體系各原子之間化學鍵的整體增強，從而實驗發(fā)現低濃度摻雜導致CuZr和TiZr拉伸強度增強的機制

4、是由于Hall-Petch效應。
　　2、鑒于AuAl2在航天飛行器的太陽能吸收器上的潛在應用，研究了其高壓結構穩(wěn)定性。理論上預測了實驗上沒有確定的高壓結構以及結構參數，計算得到了AuAl2的拉伸應力－應變關系，并與Au和Al金屬進行了比較。
　　3、研究了M2SC(M=Ti,Zr,Hf)在拉伸和剪切應變下的行為、以及其結構穩(wěn)定性的微觀機制。得到了M2SC在拉伸和剪切應變下的應力－應變關系，并與相對應的二元化合物MC進行了比

5、較。利用電子結構計算分析了M2 SC在拉伸和剪切應變下結構穩(wěn)定性微觀機制。理論預測了M2SC具有較高的脆性，這種脆性來源于較大的滑移面的位錯，而引起位錯的力可以通過Peierls應力計算來量化。
　　4、研究了Cr2AlX(X=N,C)的結構穩(wěn)定性、成鍵和彈性性質。得到了0–100 GPa壓力范圍內Cr2AlX的彈性常數，電荷密度分布和態(tài)密度表明Cr2AlX存在較弱的Cr–Al鍵和相對較強的Cr–X共價鍵。理論預測了Cr2AlC具