IrB和IrB2不同结构力学性质的第一性质理计算

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超硬材料是指维氏硬度超过40GPa的材料。社会工业的快速发展使得超硬材料的研究在基础科学研究和应用领域都有着不可取代的作用。高硬度的材料既可以用于切割、研磨、抛光、涂层工艺,也广泛应用于石油钻探、冶金、建筑工程、电子工业、航空航天等尖端科学领域。自然界中金刚石的硬度最高,而其天然储量有限,难以满足工业需求,因而,众多理论和实验研究者致力于新型超硬材料的研究。立方氮化硼(c-BN)、BC5的硬度仅次于金刚石,但合成成本较高。近年来,科研人员发现在相对低的成本条件下即可合成一些具有较高体弹模量值和剪切模量值的过渡金属硼化物,这些物质均为潜在的超硬材料.过渡金属硼化物的研究也受到越来越多的科研工作者的青睐。因此,本论文从理论上对几种硼化铱结构进行研究。  本论文利用基于平面波赝势密度泛函理论的MS软件中的CASTEP模块进行计算。计算采用Vanderbilt赝势,交换关联函数用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)来描述。通过建立模型,结构优化,得到稳定结构及平衡态晶格常数。  在几何优化的基础上,分别用GGA、LDA两种近似方法计算P1-IrB和P5-IrB2以及NiAs-IrB,anti-NiAs-IrB,NaCl-IrB,WC-IrB,CsCl-IrB,ReB2-IrB2等8种结构在零压下的弹性常数、体弹模量、剪切模量、电子结构等。进一步计算0-100GPa范围内各结构的弹性常数、体弹模量、剪切模量以及晶格常数等,得出:P1-IrB,NaCl-IrB,NiAs-IrB,anti-NiAs-IrB,CsCl-IrB几种结构的各弹性常数、体弹模量和剪切模量随着压强增大而增大,不可压缩性逐渐增强;WC-IrB和ReB2-IrB2同属于六方晶系,根据六方晶系稳定性条件,10GPa时,WC-IrB结构力学稳定性被破坏,故而出现C11、G、E的异常变化。同样地,在80GPa时,ReB2-IrB2的弹性常数也不满足稳定性条件,说明在该压强条件下,晶体结构力学性质发生改变。  对于P5-IrB2结构,随着压强的增大,不可压缩性逐渐增强,但压强增加到50GPa时,杨氏模量和在b方向上晶格常数发生异常变化,分析可知,在该压强条件下晶体稳定性条件不再满足,说明高压下该晶体结构发生了改变。此外,对P1-IrB和P5-IrB2,NaCl-IrB,NiAs-IrB,anti-NiAs-IrB,WC-IrB,CsCl-IrB,ReB2-IrB2能带结构图和态密度图进行分析表明8种结构均有金属性。  最后,本论文对P1--IrB和P5-IrB2,NaCl-IrB,NiAs-IrB,WC-IrB,CsCl-IrB,anti-NiAs-IrB,ReB2-IrB2等8种结构力学性质的计算结果表明:8种结构的体弹模量值和剪切模量值均较大,B和Ir原子间共价作用较强,是潜在抗压缩材料。本论文的研究结果可为实验探索合成该类新型超硬材料提供一定的理论指导。
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