【摘 要】
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NaCl型Ti BCN材料是四元硬质化合物,可烧结为导电的超硬陶瓷,具有良好的力学及电学性能,存在较高的成分设计自由度。其超硬材料的特征,一是高的体积模量,二是高的剪切模量。本文中,由过渡金属Ti与B、C、N轻元素化合,其化合物Ti B2、TiC的硬度较高,TiN韧性较好,为兼备良好的硬度及韧性,对TiCxN1-x结构展开研究,但C的掺入会降低其抗氧化性能。TiCxN1-x结构中掺杂B时,在高温氧
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NaCl型Ti BCN材料是四元硬质化合物,可烧结为导电的超硬陶瓷,具有良好的力学及电学性能,存在较高的成分设计自由度。其超硬材料的特征,一是高的体积模量,二是高的剪切模量。本文中,由过渡金属Ti与B、C、N轻元素化合,其化合物Ti B2、TiC的硬度较高,TiN韧性较好,为兼备良好的硬度及韧性,对TiCxN1-x结构展开研究,但C的掺入会降低其抗氧化性能。TiCxN1-x结构中掺杂B时,在高温氧化氛围时,可在Ti BCN表面形成B2O3层,从而提高其抗氧化性。基于第一性原理,计算了Ti系轻元素化合物的力学性质及电子结构,使用能带和态密度图分析材料的金属性,使用电荷局域函数分析化学键的类型,使用态密度、轨道哈密顿布居数分析成键及反键轨道,使用bader分析电荷转移值及离子性。计算了CsCl、NaCl型TiN、NaCl型TiC及P6/mmm型Ti B2结构,其CsCl结构不能稳定存在。Ti B2、TiC、TiN的预测硬度值分别为47.6 GPa、29.43 GPa、16.71 GPa。其B-B键是纯共价键,具有高的电子态密度,这是Ti B2硬度值超过40 GPa的内在原因。Ti-C键合的金属性、离子性低于Ti-N键合,这是TiC硬度值高的原因。计算了N掺杂TiC的TiCxN1-x结构,随C、N比增加,其金属性、离子性将降低。在C:N为7:1时,硬度值最高为31.35 GPa,＜110＞晶向的拉伸强度值为44 GPa,且相对TiN,体积模量、剪切模量均提升10.5%。Ti32C28N4结构相对TiC、TiN,其Ti-C、Ti-N键合的金属性、离子性降低,从而使其硬度提升。计算了B掺杂Ti32C28N4的结构,轻元素B、C等量替换,其Ti32B2C26N4结构的硬度值最高为30.76 GPa。在N:B为1:1时,金属性最低,且随B含量增加,硬度呈下降趋势。其Ti-B键合的价电子密度较低,且未形成Ti B2结构,这是硬度未能提升的原因。
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