【摘 要】
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NiTi合金具备独特的形状记忆效应和超弹性,是一种用途广泛的智能材料。通过表面沉积TiN薄膜的方法可以提高NiTi合金的耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性。但在应用过程中,受应力或温度影响,NiTi基底会产生马氏体的可逆相变。在合金由奥氏体相(体心立方B2结构)转化为马氏体相(单斜B19’结构)的过程中,晶体结构和形状发生改变,这必将引起膜/基界面微结构和界面结合状态的变化。为了评估TiN薄膜表面改性N
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NiTi合金具备独特的形状记忆效应和超弹性,是一种用途广泛的智能材料。通过表面沉积TiN薄膜的方法可以提高NiTi合金的耐磨性、耐腐蚀性和生物相容性。但在应用过程中,受应力或温度影响,NiTi基底会产生马氏体的可逆相变。在合金由奥氏体相(体心立方B2结构)转化为马氏体相(单斜B19’结构)的过程中,晶体结构和形状发生改变,这必将引起膜/基界面微结构和界面结合状态的变化。为了评估TiN薄膜表面改性NiTi合金器械在服役过程中的力学稳定性,并优化膜基界面结构、提高薄膜改性器件的使用寿命,本文对TiN(111)表面与NiTi合金B2相结构的(110)表面、(010)表面和B19’相结构的(010)表面(分别命名为B2-NiTi(110)、B2-NiTi(010)和B19’-NiTi(010))形成的界面电子结构以及界面结合性能进行了第一性原理研究。首先建立了NiTi合金B2、B19’和R相的计算模型,并进行了几何结构优化,在此基础上探究NiTi合金的键合特征与弹性性质。计算结果表明NiTi合金主要成键类型是金属键,其次还包括共价键和离子键。弹性性质计算表明三种相结构的NiTi合金均为延性材料,并具有不同程度的弹性各向异性特征。延性强弱顺序依次为B2>R>B19’,弹性各向异性程度的强弱顺序为B19’>B2>R。其次研究了B2-NiTi(110)、B2-NiTi(010)、B19’-NiTi(010)和TiN(111)四种表面的原子构型、表面能和态密度。对四种表面结构分别进行原子层数收敛性测试,通过比较表面能得出表面热力学稳定性强弱关系:以Ni原子终端的B2-NiTi(010)>B2-NiTi(110)>以Ti原子终端的TiN(111)>B19’-NiTi(010)>以Ti原子终端的B2-NiTi(010)>以N原子终端的TiN(111)。综合体相总态密度和表面各原子层态密度的研究结果,得出B2-NiTi(110)和B19’-NiTi(010)为无悬键的非极性表面,结构更稳定。最后从界面粘附功、界面原子构型和界面电子结构三个方面对TiN(111)/B2-NiTi(110)、TiN(111)/B2-NiTi(010)和TiN(111)/B19’-NiTi(010)三种界面的结构和结合性能进行研究和对比。通过计算界面粘附功,比较了三种界面的热力学稳定性强弱:TiN(111)/B19’-NiTi(010)>TiN(111)/B2-NiTi(010)>TiN(111)/B2-NiTi(110)。界面处Ti-N间形成的孔穴位堆垛会使界面结构更加紧密。界面电子结构的结果表明,存在以Ti/N终端的界面原子间会形成数量较多的共价键和离子键,界面结构更加稳定。相较于TiN(111)/B2-NiTi(010)和TiN(111)/B2-NiTi(110)界面,TiN(111)/B19’-NiTi(010)界面处形成了更多的孔穴位结构,Ti-N原子间距更小,同时原子间总的重叠布居最大,共价键强度最高,这是其界面粘附功更大的原因。
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