IVB族过渡金属氮化物TiN、ZrN、HfN是一组具有特殊性能的陶瓷材料,既继承了过渡金属优异的导电导热性能,又具有高熔点、高硬度和耐腐蚀性能等共价化合物特性,其光学性能更兼具金属与介电性,因而引起人们长期而广泛的关注。在工业应用领域,IVB族过渡金属氮化物多作为切割材料、超耐磨材料、太阳能选择性吸收材料、热障涂层等,并在基础研究和技术研究中占有重要的地位。因此,围绕其力学、光学和热力学性质的研究对于这类材料的应用发展有着非常重要的意义。本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,计算研究TiN、ZrN和HfN的结构参数与弹性常数,并分别在此基础上具体研究了材料的力学、光学和热力学性质,及光选择性和力学与热力学性质中的各向异性情况,系统地阐述分析IVB族过渡金属氮化物力学、光学与热力学性质及变化规律,目的在于为实验研究提供可靠的理论指导。研究表明,IVB族过渡金属氮化物的电子结构分别体现了共价性、离子性和金属性,且基态下体系呈金属性。力学性质的研究主要涉及材料的弹性模量和硬度。TiN、ZrN、HfN晶格沿不同晶向上的弹性模量的数值差异明显,体现出典型的弹性性质各向异性,且各向异性程度依次提升,这导致了实验研究在制备材料时不可避免的产生晶格畸变与微裂纹。[100]、[110]、[111]晶向的拉伸应力应变曲线走势差异明显,[110]晶向呈现出材料良好的韧性,而[100]、[111]晶向则呈现典型的脆性,且在[111]晶向上出现了较高的拉伸理想强度。光学性质方面,基于TiN、ZrN、HfN的复介电函数,具体计算了三种材料的光折射率、光电导率、光吸收率、光反射率、光透射率和损失函数。结合能带结构对光学性质的分析显示,这类材料的光学性质在低能区域由于自由电子的带内跃迁呈现出金属性,高能区域则通过价电子的带间跃迁呈现出半导体特性。值得注意的是,光反射率与透射率谱线在可见光区(1.64eV<E<3.19eV)的急剧变化趋势体现了材料优异的光选择性。TiN、ZrN、HfN的热力学性质均呈现稳定的高温高压结构与力学的稳定性。高温条件下的多晶体系热导率最小值依次减小,单晶体系各晶向热导率均显示较高程度的各向同性。综合考虑其热力学性质,HfN在极限条件下具有较低热导率的并兼有优异的结构和力学稳定性,是理想的热障材料。最后,伴随着态密度中赝隙的红移,TiN、ZrN、HfN的金属性依次增强,使得材料在力学性能方面脆性减弱,单晶的弹性模量和高温极限热导率各向异性程度提升,以及光学性质方面电子跃迁机理由带内跃迁到带间跃迁转变所需入射光子能量的蓝移和光谱选择性能的下降。因此,通过适当金属原子(Ti、Zr、Hf)或C、N原子的互掺杂,以改变IVB族过渡金属氮化物中自由电子的组分,可以控制与改善材料的相关性能。