【摘 要】
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由于其在储能材料和高温材料方面蕴含的巨大应用潜力,AB2型Laves相晶体结构材料受到理论和实验工作者的广泛关注。通过外来原子的替换和掺杂,基于特有的晶格结构以置换固溶体的方式构建多组元合金,是对结构属性进行调控、改善合金材料预期性能的主要手段。通过理论计算的方法对新结构的物理化学特性进行详细而深入的研究,既有助于清晰认识体系内部原子间相互作用,又可以为实验期望合成和制备的材料提供性能预测。基于密
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由于其在储能材料和高温材料方面蕴含的巨大应用潜力,AB2型Laves相晶体结构材料受到理论和实验工作者的广泛关注。通过外来原子的替换和掺杂,基于特有的晶格结构以置换固溶体的方式构建多组元合金,是对结构属性进行调控、改善合金材料预期性能的主要手段。通过理论计算的方法对新结构的物理化学特性进行详细而深入的研究,既有助于清晰认识体系内部原子间相互作用,又可以为实验期望合成和制备的材料提供性能预测。基于密度泛函理论的第一性原理计算和统计系综理论,本文详细研究了YFe2、La Fe2二元合金和V2xFe2（1-x）Zr、ScxY1-xFe2（0≤x≤1）准二元合金的结构稳定性,通过目标合金及氢化相的材料属性探究了确定组元合金的储氢性能,相关结果将为特定结构、组分的高性能合金和储氢材料设计研发提供理论依据。对于FexY1-x和FexLa1-x（0<<1）二元合金体系,利用形成焓凸包络分析可以确定YFe2和La Fe2是稳定结构。相关的热力学函数和状态方程的拟合表明,YFe2具备比La Fe2更高的热稳定性,而La Fe2体系在高温下容易发生失稳;声子谱和对应态密度显示YFe2和La Fe2合金结构具有动力学稳定性,而YFe2晶格原子的振动强度高于La Fe2。在5 H/f.u.氢含量下Y/La Fe2Hx氢化相最高结合能为-0.206 e V/H,显示了优良的氢化能力。YFe2Hx和La Fe2Hx中最低形成焓对应的氢含量分别为4.5 H/f.u.和4 H/f.u.,表明YFe2合金的储氢能力高于La Fe2。当氢含量低于1 H/f.u.时,H原子倾向于进入B4间隙位,而在更高的氢含量下,H原子更倾向于进入A2B2间隙位。在一定范围内,氢含量的增加将导致储氢体系机械强度增加,而其又随着温度的升高而降低。与La Fe2相比,YFe2氢化相保持了很大程度上的弹性强度及弹性各向同性,展现了更优的储氢性能。为了改善合金的储氢性能,我们研究了V2xFe2（1-x）Zr、ScxY1-xFe2（0≤x≤1）准二元合金的结构稳定性,发现V2xFe2（1-x）Zr合金在温度为0 K条件下可得到不同组分的有序稳定结构,而Y1-xScxFe2体系需要在有限温度下才能得到单相固溶体结构,与实验制备条件相符。考虑构型熵的贡献,计算表明Y1-xScxFe2体系的临界固溶温度最高在600 K附近,而V2xFe2（1-x）Zr体系有序-无序转变的最高临界温度在155 K附近。V2xFe2（1-x）Zr合金体系和Y1-xScxFe2体系中全部不等价结构的总能可以通过第一原理计算获得,并通过键能模型得到良好的拟合结果,对比近邻作用系数可以判断V2xFe2（1-x）Zr合金结构中V-Zr原子间相互作用最强,且V原子对Fe原子的取代有利于提高此三元合金的结构稳定性。电子性质表明,V2xFe2（1-x）Zr合金体系中主要存在为金属键而包含部分离子键,V-Zr原子之间呈现出最大的键强,与键能模型中相互作用能一致。优异的储氢材料也需要好的力学性质,以避免吸放氢过程中结构坍塌而影响吸放氢循环性能。通过拟合计算得到的体积弹性模量与利用弹性常数计算所得结果相接近,剪切模量与体积模量之比均小于0.57经验值,说明合金体系具有一定的塑性。弹性各向异性因子和三维等势曲面表明,V2xFe2（1-x）Zr体系中V原子对Fe原子的取代可降低其弹性各向异性,VFe Zr组分结构呈现最高程度的弹性各向同性。借助键能模型同样可以对V2xFe2（1-x）Zr合金的弹性强度进行合理的预测,而相互作用系数表明结构中Fe-Zr原子间作用对体系弹性强度贡献最大。ScxY1-xFe2体系中Sc元素的加入可增强体系的弹性强度,而温度的升高将导致合金体系弹性强度降低。ScxY1-xFe2和V2xFe2（1-x）Zr三元合金中最大储氢含量分别达到4.29%和3.88%（8 H/f.u.）,均高于YFe2二元合金的2.19%（4.5 H/f.u.）。通过合理调控和增加组元数的方法可以提高合金的储氢量,为储氢合金性能改善和多元储氢合金的设计开发提供了理论基础。
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