max相材料hf2pb电学、力学和热学性质的第一性原理研究

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1、学校代码10530学号201510131325分类号TM286密级硕士学位论文MAX相材料Hf2PB电学、力学和热学性质的第一性原理研究学位申请人张衡指导教师王金斌教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向新能源材料与器件二〇一八年六月First-principlesstudyoftheelectrical,mechanicalandthermodynamicpropertiesofanovelMAXphasematerialHf2PBCandidateZhangHengSupervisorProfessorJinbinWangCollegeSchoolofMa

2、terialsScienceandEngineeringProgramNewEnergyMaterialsandDevicesSpecializationMaterialScienceandEngineeringDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune2018摘要摘要MAX相材料是一种兼具金属和陶瓷优异性能的层状化合物，可以运用于高温、高压、高辐射等极端环境，被认为是下一代核反应堆和高温结构的候选材料。为了保证核反应堆使用寿命，MAX相材料必须能够在高辐射、高温和高腐蚀环境下保持良好的机械性能和稳定

3、性，所以提高MAX相材料性能以适应极端环境，以及研究极端环境下缺陷对MAX相材料性能的影响是很有必要的。研究表明X位固溶掺杂是提高MAX相材料性能的有效途径。极端环境下点缺陷对MAX相材料性能有很大影响。基于此，本文利用第一性原理计算方法，以Hf2PB为研究对象，系统研究了X位固溶掺杂和点缺陷对Hf2PB晶格结构、形成能、电子结构和力学性能的影响，具体研究内容和结果如下：1、研究了C和N掺杂B的固溶体Hf2PB1-xMx的晶体结构、电子结构和力学性能。研究结果表明：固溶体的晶格常数随C/N掺杂浓度增加而减小；Hf2PB及其固溶体表现出良好的金属性，态密度和电荷密度显示Hf2PB及

4、其固溶体中Hf与X位的B/C/N间以共价键结合；Hf2PB及其固溶体的弹性常数和弹性模量都随掺杂浓度增加而增加，固溶体的硬度随掺杂浓度的增加先增大后减小，掺杂浓度对固溶体的塑性、机械可加工性能和各向异性影响很小；热学研究发现Hf2PB及其固溶体具有很高的德拜温度，拥有很高的热导率，是良好的导热材料。2、研究了三种空位缺陷对Hf2PB晶体结构、电子结构、力学性能的影响。研究结果表明：三种空位缺陷使Hf2PB体积均减小；从费米能级处态密度值判断出存在空位缺陷的Hf2PB表现出更强的金属性，空位附近的原子电荷密度和态密度发生很大变化；所有的空位缺陷都造成Hf2PB弹性常数、弹性模量和硬

5、度降低，但是对塑性和各向异性影响很小。3、研究了Hf2PB中H杂质原子对晶体结构、电子结构和力学性能的影响。研究结果表明：三种H杂质原子导致Hf2PB体积减小；引入H杂质原子后Hf2PB金属性能增强，缺陷附近的原子电荷密度和态密度都发生很大变化；H作为杂质取代P和B降低了Hf2PB的弹性常数、弹性模量以及硬度，却增强其塑性，而H取代Hf的H杂质原子造成杨氏模量E和剪切模量G增加、塑性降低。点缺陷会降低Hf2PB的部分力学性能，但是可以增强其金属性。关键词：MAX相材料；固溶体；电子结构；力学性能；点缺陷IAbstractAbstractMAXphasematerialisakin

6、doflayeredcompoundwithexcellentpropertiesofmetalandceramicssimultaneously,whichcanbeusedintheextremeenvironmentofhightemperature,highpressureandhighradiation.MAXphasematerialhasbeenconsideredtobeoneofthecandidatesofstructurematerialsworkinginthenextgenerationfusionreactor.Inordertoensurethese

7、rvicelifeofthefusionreactor,theMAXphaseasstructuralmaterialsmustbeabletomaintainmechanicalintegrityanddimensionalstabilityunderextremeradiation,hightemperature,highcorrosionandhighstress.Therefore,MAXphasematerialmusthavegoodphysicalpropertie