论文部分内容阅读
MAX材料兼具金属和陶瓷的优良性能。M4AX3作为一种413相MAX材料,由于实验制备较困难,关于其结构和性能的研究相对较少。为了进一步了解M4AX3,对其X位含有空位以及固溶体时的性能有更透彻的认识,本文利用第一性原理计算研究Ti4GaC3、Ti4SiC3和Ti4GeC3三种典型413相MAX材料中C空位与C/N固溶原子对晶胞结构、相稳定性、力学与电学性能的影响。Ti4AC3晶胞结构的计算研究显示,随着C空位浓度的增加,晶胞参数a与键长减小。随着N取代C形成Ti4A(C3-xNx)（x=0-3）固溶体,不同A元素的MAX相晶格参数变化规律各异:随着N原子浓度的增加,Ti4Ga(C3-xNx)的晶胞参数a降低,c升高;Ti4Si(C3-xNx)的晶胞参数a单调降低,晶胞参数c在Ti4SiC1.5N1.5处达到峰值;Ti4Ge(C3-xNx)固溶体的晶胞参数a和c降低。这些结构的变化是由于引入C空位导致化学键断裂重组,原子间更紧密排布,以及固溶体中C/N原子尺寸差异、Ti-N间斥力所导致的。Ti4AC3的稳定性随着C空位浓度的不断升高而降低,同时,计算结果显示在2a位置形成C空位时体系更加稳定。随着x值的增加,Ti4A(C3-xNx)固溶体的稳定性逐渐降低,这是由于晶胞内斥力的存在导致的,但体系均能稳定存在。Ti4AC3的力学性能研究显示,C空位浓度的增加可使材料的硬度、刚度逐渐下降。当N取代C形成Ti4A(C3-xNx)固溶体时,随着x的增大,Ti4Ga(C3-xNx)固溶体的体积模量逐渐升高,在x=1.5时,Ti4GaC1.5N1.5的硬度和刚度最低;Ti4Si(C3-xNx)固溶体的体积模量单调升高,硬度单调降低;Ti4Ge(C3-xNx)固溶体的体积模量单调升高。形成C/N固溶体会导致Ti4AC3中原子间键合作用增强,不同固溶度下材料的力学性质不同。对材料在费米能级处的态密度研究结果表明,随着C空位浓度的升高,Ti4AC3的态密度逐渐增大,导电性增强。随着N取代C形成Ti4A(C3-xNx)固溶体,Ti4GaC1.5N1.5的态密度最大,而Ti4Si(C3-xNx)和Ti4Ge(C3-xNx)材料的态密度随着x增大单调增强,导电性增强。引入C空位以及形成C/N固溶体可以有效增加Ti4AC3的态密度,增强材料的导电性,这是由于增强了Ti-Ti的杂化。