PtPdRhIr与TiZrHfNb高熵合金第一性原理研究

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自从多组元高熵合金的概念被叶均蔚教授提出以来,由于高熵合金具有独特的设计理念和显著的高熵效应,受到了越来越多人们的关注。高熵合金已被证明具有一些不寻常的机械与物理性能,如同时具备高强度和高延展性的优点,这在传统的金属间化合物中是很难实现的。目前对于高熵合金的研究主要集中在高熵合金的形成理论、设计制备、性能、强化机制方面,虽然人们在结构-性能关系方面做了大量的实验和理论研究,但对于高熵效应引起的力学性能仍然不清楚,也不能从电子和原子的角度对其进行解释。对高熵合金进行第一性原理的计算则可以从理论上揭示引起高熵合金的力学性能变化的原因。本论文中使用特殊的准随机结构模型来建立合金的结构,利用密度泛函理论的第一性原理计算的方法,研究了不同压强下及不同Ir含量的PtPdRhIr高熵合金和不同压强下的Ti Zr Hf Nb高熵合金的结构和弹性力学性能,通过热力学中的Debye-Gruneisen模型来探索高熵合金的热力学性质,为设计高熵合金提供了理论指导,揭示了引起高熵合金的力学性能变化的原因。主要内容如下:(1)分析了PtPdRhIr高熵合金的稳定性判据,利用ATAT软件中mcsqs等算法代码,生成了PtPdRhIr高熵合金的SQS特殊的准无序模型,探究了它在不同压力下的弹性性质,并预测了其屈服强度,从电子结构角度解释了其稳定性和物理本质,发现适当增大压力可以提高抗变形能力,且PtPdRhIr高熵合金展现出延展性和各向异性也随着压强的增大而增加。(2)探究了Ir含量的变化对PtPdRhIr高熵合金稳定性、弹性力学和热力学性质的改变并且预测了屈服强度,从电子结构角度解释了其稳定性和物理本质。发现随着Ir含量的增加,弹性模量也会增大,当温度上升时,PtPdRhIr高熵合金的混合熵S、定容热容CV、热膨胀系数α随之增大,等温体模量B则会逐渐降低,且随着Ir含量的增加,等温体模量增加。(3)采用电弧熔炼法熔炼了Ti Zr Hf Nb高熵合金,其XRD图谱及利用VASTA进行模拟的图谱在不同压强下均一致,证明了Ti Zr Hf Nb高熵合金为BCC结构,通过VASP计算了结构、弹性性质、热力学性质,发现在10GPa时已经失稳,这与实验中观察到的一致。Ti Zr Hf Nb高熵合金的抗变形能力随着压强的上升而增大,Ti Zr Hf Nb高熵合金的热膨胀系数、热容、熵均随温度的上升而增大。从电子结构的角度同样发现了其在10GPa时的失稳现象,通过实验去对比其热膨胀系数,发现试验和计算的结果吻合。本论文的创新点在于利用特殊的准随机方法对高熵合金进行模型的构建,使得高熵合金可以采用第一性原理方法研究合金材料的结构与性质,并结合位错理论对屈服强度进行预测,并利用实验与计算相互验证,验证了SQS模型的准确性。
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