空位和合金元素对3C-SiC/Mg复合材料界面稳定性影响的第一性原理计算

来源 :南昌航空大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhezhe_1207
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镁及镁合金具有高比钢度、高比强度、优异的铸造性能、良好的导电性等优点,被广泛应用于航空航天、汽车工业、手机电脑等领域。镁基复合材料是新一代轻金属基复合材料,弥补了镁合金在弹性模量和化学性质等方面的不足。SiC颗粒是镁基复合材料中常用的一种增强体,其与基体之间的界面具有载荷传递作用和阻止裂纹扩张功能,界面结合好坏直接影响复合材料的综合性能。因此,对SiC/Mg复合材料界面结构和界面结合性的研究尤为很重要。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,计算了Mg体相和3C-SiC体相的的电子结构和不同层数表面的表面能。根据堆垛方式和封端不同建立了3C-SiC(111)/Mg(0001)界面模型,用界面粘附功和界面间距评价界面结合性,再分析界面的电子结构和成键方式。在最稳定的界面模型基础上,引入点空位缺陷(Mg空位、C空位、Si空位)和合金元素(Al、Zn、Cu、Ni、Li、Zr)掺杂,研究点空位缺陷和合金元素掺杂对界面结合性的影响,得出结论如下:首先,研究Mg体相和3C-SiC体相的的电子结构,结果表明,Mg体相态密度图中主要是由2p电子轨道贡献的金属键,成键峰主要分布在-6.5-14e V之间,3C-SiC体相态密度图的1.6到16.8e V中C-2p和Si-3p存在较强的杂化作用,形成了强共价键。根据对层数的收敛测试,Mg(0001)面和3C-SiC(111)面的层数选择为5层和10层。6种3C-SiC(111)/Mg(0001)界面模型中,C封端中心型结构模型的界面粘附功最大,界面间距最小,界面结构模型最稳定。对界面电子结构进行分析发现中心型结构的界面成键主要为共价键、离子键和金属键的混合。其次,在3C-SiC(111)/Mg(0001)界面模型中引入Mg空位缺陷、C空位缺陷、Si空位缺陷。结果表明,Mg空位缺陷有利于界面结合,3C-SiC/Mg-VMg-1的界面粘附功最大,3C-SiC/Mg-VMg-2的空位形成能最小,界面易形成。C空位缺陷和Si空位缺陷引入后,界面粘附功减小,不利于界面结合。3C-SiC-VC-1/Mg的界面粘附功最大,3C-SiC-VC-1/Mg的空位形成能最小,界面易形成。3C-SiC-VSi-4/Mg的界面粘附功最大,3C-SiC-VSi-2/Mg的空位形成能最小,界面易形成。最后,往3C-SiC(111)/Mg(0001)界面模型中掺杂合金元素(Al、Zn、Cu、Ni、Li、Zr)。结果表明,在界面第一层掺杂1个合金原子时,Zn原子不利于界面结合,Al、Cu、Ni、Li、Zr原子都有利于界面结合,Zr原子对界面结合的改善效果最好。在界面第一层掺杂4个合金原子时,Zn、Ni原子掺杂后体系的界面粘附功为负值,界面难以结合,掺杂4个Al、Cu原子掺杂后体系的界面粘附功大于掺杂1个Al、Cu原子掺杂后体系的界面粘附功,对界面结合的促进作用增强,掺杂4个Li、Zr原子掺杂后体系的界面粘附功小于掺杂1个Li、Zr原子掺杂后体系的界面粘附功。在界面第二层掺杂1个合金原子时,Al、Cu、Ni、Li、Zr原子与C原子的成键消失,体系的界面粘附功小于在界面第一层掺杂1个合金原子后体系的界面粘附功,Al、Zn、Cu、Ni、Li、Zr掺杂后体系的界面粘附功都大于理想体系的界面粘附功,都有利于界面结合,其中3C-SiC/Mg-Zr2-1体系的界面粘附功最大。
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