TiSiN类超硬表面的结构和力学性能的第一性原理计算.pdf

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1、内蒙古科技大学硕士学位论文Ti-Si-N类超硬表面的结构和力学性能的第一性原理计算姓名：张亮申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：刘学杰20090619内蒙古科技大学硕士学位论文摘要本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，运用VASP软件包对Ti．Si-N类的复合结构及其力学性能进行了计算研究。研究的目的是：(1)．考察这类复合材料的最低能量构型；(2)．通过计算这类复合材料的弹性模量和弹性常数来分析其力学性能。第一部分研究工作是通过计算结构总能量和结合能考察最低能量构型。为了计算结合能，先计

2、算出单原子能量和对应的最低能量构型的总能量。本研究中对钛族和钒族氮化物以及相应氮化物加硅复合材料的结合能进行了计算。计算结果表明：(1)．对于TiN晶体内考察加入一个硅原子的占据hollow位、planehollow位、占据一个N原子位和占据一个Ti原子位，分别求得的结合能为451．73eV、433．05eV、443．18eV和446．91eV，都低于TiN晶体的结合能457．69eV。这说明硅原子不能存在于TiN晶‘粒内部，而只能存在于晶界中。当TiN晶界宽度为2．75A时结合能降为425．86eV时，加

3、入硅原子使晶界结合能提高为426．47eV，说明在TiN晶界宽度大于2．75A时硅原子是容易存在于晶界中的。(2)．Zr-Si．N、Hf-Si．N、Nb—Si-N和Ta．Si-N复合材料的结合能为478．4eV、496．1eV、457．9eV和485．2eV都低于对应的氮化物结合能482．6eV、502．6eV、462．6eV和485．9eV，而只有V-Si-N的结合能408．0eV高于VN的结合能407．8eV。这说明硅原子可以进入VN晶粒内，而不能进入其他的钛族和钒族氮化物品粒内，很有可能存在于晶界中。

4、第二部分的研究工作是通过计算弹性模量和弹性常数考察力学性能，弹性模量和弹性常数是内能与应变函数关系中在小应变条件下的二次项系数。本文对钛族和钒族氮化物以及相应氮化物加硅复合材料的弹性模量和弹性常数进行了计算。计算得出：(1)．TiN、ZrN、HiN、VN、NbN和TaN体模量分别为280．9GPa、258．5GPa、277．9GPa、‘316．6GPa、312．45GPa和293．61GPa而相应的实验值为286GPa、264GPa、278GPa、333GPa、317GPa和338GPa，相对误差在范围0．

5、03％．13％，充分说明计算模型和方法的准确性。(2)．考察Ti．Si．N复合材料的力学性能的计算模型有TiN晶体体心加Si及边界加Si的两种情况。在TiN超胞体心位置加Si后体积模量为285GPa略高于未加Si时的280．9GPa，TiN晶界宽度为2．75A时可放入Si原子，计算得到的弹性常数C“为159．7GPa，此值低于TiN晶界宽度为2．75A的Co值170．61GPa。这方面计算结果尚不足说明TiN晶界加入硅原子对Ti．Si．N超高硬度的影响，需要进一步的研究。关键词：第一性原理，总能，结合能，弹

6、性模量，弹性常数(国家自然科学基金项目项目编号：50845065)(内蒙古教育厅科研基金项目项目编号：NJ06077)内蒙古科技大学硕士学位论文AbstractInthisworkweusedAbInitioMethodbasedonDFT．UsingtheVASPpackagewecMculatethestructureandmechanicalpropertiesofTi-Si-Nlikecompositematerials．Tmsofsuchstudyhastwoobjectives：(1)Westu

7、diedthelowestenergiesconfigurationmechanicalpropertiesofsuchcompositeshadbeenanalyzedcompositematerials；(2)Thebycalculatingtheelasticmodulusandelasticconstantstoanalyze．硼1efirstpartofthetaskisthatthemethodofstudingthelowestenergiesconformationisbycalculati

8、ngthetotalenergiesandcohesiveenergies．Inordertocalculatethecohesiveenergies，wefirstlycalculatedthemonatomicenergiesandthetotalenergiesofthelowestenergiesconfiguration．11lecalculatingcohesiveenergieshavethegro