钍氢及钍砷二元体系高温高压性质的第一性原理研究

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钍(Th)基材料具有良好的导热性能,并且安全性高,是核反应堆中很有前景的核材料,受到核科学家的广泛关注。本工作采用基于密度泛函(DFT)理论的第一性原理计算方法,研究了钍氢合金的晶体结构、力学性质和热力学性质;此外,计算了ZhAs的结构、高压相变行为、力学性质、声子谱和热力学性质,为今后核工业中钍基合金的研究和应用提供了理论数据。主要结论如下:  一、从E-V曲线中,我们得到在常温常压下,bct ThH2比fcc ThH2的结构更稳定。在高压下,我们通过弹性常数的计算结果分析以及泊松比的分析得到bct ThH2和bcc Th4H15两种稳定的结构在高压下比常温下更脆。我们通过声子色散曲线讨论了三种钍氢合金的热力学稳定性,结果发现bct ThH2和bcc Th4H15两种相在高压下的声子色散曲线没有虚频,表明是热力学稳定的。而fcc ThH2的声子谱出现虚频,并且在高压下一直有虚频出现,表明fcc ThH2是热力学不稳定的。随后,我们计算了两种稳定结构bct ZhH2和bcc Th4H15的热力学性质。结果表明,随着温度升高,bct ZhH2和bcc Th4H15振动自由能显著减小;当压强增加时,曲线向上移动。熵、热容正比与温度,与压强成反比。钍氢合金的体弹模量随着压强的增加而增加,表明钍氢合金在在对抗外部压力的能力在增强。  二、我们采用第一性原理的计算方法,研究了ThAs的高压相变行为,高压力学性质及高温高压热力学性质。结果表明,ThAs在高压下B1结构向B2结构发生相变的压强为17.1 GPa,这与Gerward等人在X射线衍射实验中观察到的结果17-26 GPa相一致。由于B1结构在高压下不稳定,我们对B2相ThAs的高压力学性质做了研究,结果表明,随着压强增加,B2相ThAs体弹模量逐渐增加,而泊松比逐渐减小。表明ThAs合金在高压下显的更硬,材料脆性比较显著。为了进一步研究结构的稳定性,我们从热力学上对ThAs两种结构的稳定性做了研究,结果表明在基态下两种结构都是热力学稳定的,而当压强达到20 GPa时,B1结构的ThAs出现了虚频,解释了B1结构的动力学不稳定性。B2结构在压强低于50 GPa一直是热力学稳定的。最后,我们讨论了B2相的高压力学性质和热力学性质。
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