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碳化物陶瓷表面和金属-氮化物界面的第一原理研究
其他题名First-Principles Study of the Surface and Interface of Carbide and Nitride Ceramics
张怀征
学位类型博士
导师王绍青
2007-05-28
学位授予单位中国科学院金属研究所
学位授予地点金属研究所
学位专业材料物理与化学
关键词陶瓷 表面 界面 第一原理 力学性能
摘要过渡族金属元素碳化物TMC (transition-metal carbides) 和氮化物TMN (transition-metal nitrides) 具有高熔点,高硬度和耐腐蚀等优点。由于它们优异的性能,过渡族金属碳化物和氮化物已经在工业中得到广泛应用,例如,机械构件上的耐磨,耐蚀涂层,电接触材料,电子器件的扩散障垒和金属基复合材料等方面。在这些应用当中,它们经常以表面和界面形式存在,因此表面和界面性质对于其应用至关重要。 首先本工作采用第一原理方法研究了过渡族金属碳化物和氮化物的表面性质,计算了IVB和VB过渡族金属碳化物的结合能和(001)表面的表面能和表面褶皱。对结合能的分析发现,IVB和VB过渡族金属碳化物的结合能都是随着周期数和金属原子半径的增大而增大。IVB和VB过渡族金属碳化物(001)表面能随周期数的增加呈递增趋势。IVB过渡族金属碳化物(001)表面的褶皱程度普遍小于VB过渡族金属碳化物(001)表面。对表面能的分析发现结合能和表面褶皱程度两种因素共同影响和决定表面能。 其次在研究二元过渡族金属碳化物的基础上,我们运用第一原理方法研究了三元碳化物Ti3SiC2和Ti3AlC2 (001)表面。从原子角度研究了Ti3SiC2和Ti3AlC2 (001)表面的原子结构、表面皱褶和表面稳定性。对于Ti3SiC2和Ti3AlC2的计算发现,Ti2-C是两体系中最难断裂的化学键;Ti2-Si/Al是两体系中最易断裂的化学键。Ti3SiC2中Ti2-Si的键强大于Ti3AlC2中Ti2-Al的键强。这可以解释实验上Ti3SiC2和Ti3AlC2具有较大体模量的现象。表面弛豫表明表面原子皱褶的程度随表面化学键强度的增加而增加,化学键较弱的表面具有较小的原子皱褶。关于Ti3SiC2和Ti3AlC2表面稳定性的研究得到了不同化学势条件下可能稳定存在的表面形态。这些信息有助于对Mn+1AXn类化合物表面性质以及与其表面相关问题的理解,例如腐蚀、外延生长和界面问题。 再次我们运用第一原理方法研究了TiN/VN(001)界面结合问题,计算了界面的弛豫结构和界面结合功。TiN/VN(001)界面最稳定的构型是界面处延续TiN和VN的NaCl堆垛结构。这种构型的界面结合功是2.11 J/m2,属于强结合界面。电子结构分析发现界面处存在较强的Ti-N和V-N化学键。 最后我们计算了金属-陶瓷界面的力学性质。本部分工作主要研究了Mg和Zn合金元素对界面结合的影响,解释了实验上合金元素影响界面结合的现象,通过电子结构分析了内在的物理原因,即Mg-N和Zn-N键弱于Al-N键,并且Mg-N键的强度大于Zn-N键,因此含Mg界面的强度大于含Zn界面的强度。对于纯Al/TiN(001)和含Mg,Zn的界面拉伸模拟得到了理论拉伸强度和理论断裂点。这部分研究发现对于界面结合相对较强的纯Al/TiN(001)界面断裂发生在金属层内部,含Mg和Zn的界面结合相对较弱的界面断裂发生在界面处。这些结果解释了实验上关于强结合界面断裂发生在金属内部,弱结合界面断裂发生在界面处的现象。对于界面滑移的研究发现,界面结合越强即界面结合功越大,则界面滑移能垒越大,界面滑越困难,界面滑移能垒随着界面结合功的增加而增加。
其他摘要The transition-metal carbides (TMC) and nitrides (TMN) own extraordinary properties, such as high melting temperature, high hardness, and good in anti-corrosion. Therefore, they are widely used in industry area, such as hard coating, anti-corrosion coating, and metal-ceramic composites materials. The knowledge of ceramic surface and interface are crucial for the design, fabrication and application of ceramic materials. In this study, density functional theory (DFT) calculations are carried out to systematically investigate the surface and interface of carbides and nitrides ceramic. First, the surface structure, rumpling and electronic structure of IVB and VB transition metal carbides are studied. The linear relationship between the bulk cohesive energy and surface energy is found. And they both increase with the increment of atomic number as the periodicity. In addition, the surface rumpling can decreases the surface energy. Therefore, the bulk cohesive energy and surface rumpling affect the surface energy together. Next, the rumpling, cleave energy and surface stabilities of ternary ceramic Ti3SiC2 and Ti3AlC2 are investigated. The calculated cleave energies explain the mechanical difference between Ti3SiC2 and Ti3AlC2. The surface rumpling of Ti3SiC2 and Ti3AlC2increases with the surface bond strength. From thermodynamic point of view, the stabilities of Ti3SiC2 and Ti3AlC2 surfaces are dependent on the chemical potential of componential atoms. The most stable surface structure is predicted, which is consistent with available experimental results. Further, TiN/VN (001) interface, as a typical case of nitrides related interface, is investigated. The fully relaxed structure, interface bonding and work of adhesion of interface system are calculated. The results indicate that the preferred stacking sequence of the TiN/VN (001) interface inherits the NaCl structures of TiN and VN bulk. And TiN/VN (001) is a strong adhesive interface with a relatively large work of adhesion, 2.11 J/m2. The electronic structure analysis shows that there are strong chemical bonds of Ti-N and V-N at the interface. Finally, the effects of alloy elements (Mg and Zn) on the mechanical properties of Al/TiN (001) interface are investigated. Both Mg and Zn decrease the work of adhesion of Al/TiN (001) interface. For the pure Al/TiN (001) interface, the fracture point is in the metal side. For the Zn and Mg introduced system, the fracture point of is at the interface bond and the ideal tensile strength is less than the pure interface system. In addition, the energy barriers of interface sliding show an increasing relationship with the work of adhesion of interface. These studies provide some basic understandings of the ceramic surface and interface on atomic scale.
页数127
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17116
专题中国科学院金属研究所
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GB/T 7714
张怀征. 碳化物陶瓷表面和金属-氮化物界面的第一原理研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2007.
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