搅拌摩擦加工铝合金超超塑性变形行为研究

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	搅拌摩擦加工铝合金超超塑性变形行为研究
	刘峰超
学位类型	博士
导师	马宗义
	2010
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	材料学
关键词	复杂氧化物陶瓷结构性能关系理论模拟力学/热学性质缺陷
摘要	"复杂氧化物陶瓷作为一类新型的结构/功能一体化材料，由于具有复杂的晶体结构和化学键的不均匀性，从而表现出了与传统二元氧化物陶瓷不同的性能。与传统二元氧化物陶瓷相比，它们在保持了熔点高、高温稳定性好等优点的同时，也表现出其它方面优异的性能，如热膨胀系数与碳氮化合物陶瓷或高温合金相匹配、低氧传输系数、高损伤容限和缺陷容忍度高等。因此，这类材料被认为具有多种潜在的用途：如高温结构材料、热障/环障涂层、核废物存储陶瓷和光学材料。但是，由于这些材料晶体结构和化学键组成非常复杂，所以人们对于这一类材料的认识还很不充分，甚至很多材料的一些基本性质：如弹性常数、力学性质参数、热导率等尚没有报道。针对这一情况，本论文运用第一原理计算和分子动力学模拟研究了烧绿石结构体系、Si-N-O体系和Y-Si-O体系氧化物的力学性质、热学性质和缺陷结构。作者希望通过对上述复杂体系的研究来预测它们的力学/热学性质、缺陷结构并建立其结构性能关系。使用第一原理方法计算了烧绿石氧化物La2T2O7（T = Ge, Ti, Sn, Zr, Hf）弹性常数、力学性质和热导率并建立了这类化合物的复杂晶体结构、化学键不均匀性和力学/热学性能之间的关系。我们证明了La-O弱键对La2T2O7（T = Ge, Ti, Sn, Zr, Hf）的力学性能和热导率起决定性作用。一方面，La-O弱键的存在使得La2T2O7烧绿石氧化物的平均化学键强度弱于其对应的二元氧化物TO2，也因此造成了La2T2O7烧绿石氧化物具有更低的杨氏模量和更低热导率。另一方面，La-O弱键使得这类陶瓷化合物容易发生剪切变形而具有一定的损伤容限。最后，通过考虑材料弹性性能的各向异性，我们还修正了Clark关系，以更准确地计算材料的最低热导率。计算了Si2N2O的力学性质、本征缺陷和掺杂金属离子（Li）缺陷对结构和性能的影响。首先，发现了具有较小力常数的Si-O-Si桥易发生弯曲和倾斜，这使得Si2N2O具有异常低的(100)[001]和(100)[010]方向的剪切弹性模量。并通过热学性质的计算预测Si2N2O也是一种可能的热障涂层候选材料。其次，预测了O和N原子间的反结构缺陷是这一材料中的本征缺陷的主要类型。同时提出了Si2N2O晶格容纳过量SiO2或Si3N4在原子尺度的主要机制。而且在能量上Si2N2O晶体中更容易容纳多余的SiO2。最后，对掺杂的研究表明，金属离子Li对Si2N2O的晶体结构和电子结构都有影响，并直接导致了介电常数的升高。为解释实验中发现的非晶SiO2弹性模量随温度升高而反常增大的机制，我们用分子动力学模拟研究了其晶体结构、弹性性能和原子动能随温度的变化关系及它们之间的相互联系。结果表明，造成上述反常现象的原因是非晶SiO2在较低温度段（300 K ~ 1600 K）有一特殊的结构变化模式，即Si-O-Si键角的弯曲和扭转。其结果是使得Si-O-Si键角趋向于180°，使SiO2具有更高的刚性。在高温段（1700 K以上），Si-O键的伸长成为主要的结构变化模式，进而使得非晶SiO2的弹性模量随温度升高而降低。再进一步升高温度，由于SiO4四面体的坍塌，非晶SiO2的弹性模量急剧下降。研究了Y2SiO5和Y2Si2O7的本征缺陷结构。Y2SiO5和Y2Si2O7是有诱人应用前景的涂层材料（热障涂层和抗氧化防护涂层）和光学材料。由于在上述应用中缺陷的影响非常重要，需要解释缺陷机制并进行缺陷类型控制。我们首先提出了在Y2SiO5中，氧空位倾向于在SiO4四面体内形成，这一结果纠正了以前人们对此的错误认识（即从晶体结构简单推测氧空位易于在SiO4四面体间的间隙氧位置形成）。其次，我们发现O原子在Y2SiO5中的扩散能垒非常高（与Al2O3和SiO2相近），表明这一材料对氧传递有阻碍作用，是一种极具潜力的抗氧化防护涂层材料。最后，Y2SiO5和Y2Si2O7的本征缺陷研究阐明了其最可能的缺陷形成机制，并预测了在Y2O3或SiO2过量时的缺陷结构。这一结果（1）帮助理解实验中发现的缺陷类型；（2）可以指导实验上材料合成过程中确定原材料配比。同时，由于在上述研究中考虑了化学势（即化学环境）的影响，理论结果对实验上控制点缺陷类型有重要的指导意义。"
其他摘要	Comparing with the traditional binary compounds, the ternary oxides with complex structure and chemical bonds own some excellent properties, such as high melting point, low oxygen permeability, good damage tolerance, high stability, and the ability to accommodate defects. The unique properties render the ternary oxides as promising candidates for high-temperature structural ceramics, damage tolerant ceramics, thermal barrier and/or environmental barrier coatings (TBCs/EBCs), solid state lasers and as immobilization hosts of the actinides in nuclear wastes. Considerable effort has been made to optimize particular properties (high radioactive resistance, low thermal conductivity, high migration energy barrier et al), and at the same time to satisfy the requirements, such as the physical stability, and the chemical or thermal compatibility with other materials involved in the design. However, experimental information is quite limited in establishing structure/property relationships for these ternary oxides materials. To answer the above mentioned questions, we have investigated the mechanical/thermal properties and defect structure of the oxides in pyrochlore, Si-N-O and Y-Si-O systems using the first principles calculations and atomic force-field simulations. By analyzing the structure/property relationships and predicting the defect structure, our aims are to predict the mechanical/thermal properties, defect structures of these compounds and to establish structure/property relationships for these complex materials.
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64194
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	刘峰超. 搅拌摩擦加工铝合金超超塑性变形行为研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2010.