杂质和空位对钨硼化物的结构和性能影响的研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20151100066硕士学位论文学生类别：全日制学术型硕士研究生学科名称：物理电子学论文题目：杂质和空位对钨硼化物的结构和性能影响的研究英文题目：Influenceofimpuritiesandvacanciesonstructureandpropertiesoftungstenborides学生姓名：秦越导师姓名：赵二俊教授二○一八年四月内蒙古工业大学硕士学位论文摘要近年来，由于过渡金属硼化物具有非常突出的物理化学性质且可在常温常压下合成，而受到了研究人员的广泛关注，进行了大量的理论和实验研究。研究表明新型超硬

2、材料主要与轻元素和轻元素、轻元素与过渡金属之间形成的共价键有关。因此，本文主要采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了掺入轻元素和过渡金属对钨硼化物的晶体结构、热力学性质、力学性质等的影响。主要研究内容如下：（1）采用CASTEP模块研究了过渡金属三硼化物WB3_OsB3(表示OsB3结构的WB3)和WB3_166_6u掺杂轻质元素碳(C)、氮(N)的热力学和力学性质等的变化规律。掺入轻元素浓度分别为1.5%、2%、3%、4.25%、6.25%、8.25%、12.5%、25%。通过计算生成焓，预测化合物的热力学稳定性。随着掺杂浓度的增大，生成焓的整体趋势是逐

3、渐增加的；相对于未掺杂结构，掺入轻元素浓度为25%时，计算所得的生成焓为正值，表明其在热力学上是不稳定的，可能由于掺入浓度高，晶格畸变大所引起的。在所考虑的结构中，WC0.5B2.5_OsB3-6具有最大的体模量355GPa，WC0.08B2.92_6u-3具有最大的剪切模量258GPa，最大的硬度42GPa，表明它们可能是超不可压缩材料，或沿某晶向的潜在超硬材料。接着，用Mo、Tc、Hf、Ta、Re、Os和Ir替位式均匀掺杂替换WB3-6u中心W原子的热力学和力学性质的变化规律。所考虑的掺杂浓度分别为0.52%、1%、2%、4.2%、8.3%、12.5%

4、，且掺入Ta形成的三元化合物W0.8333Ta0.1667B3硬度高达39GPa，大于未掺杂的结构，是潜在的超硬材料。（2）基于密度泛函理论的第一性原理，计算了WB4-2u掺入过渡金属Mo、Tc、Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt的热力学和力学性质。掺杂浓度为1.25%、2.5%和10%，结果表明，体模量、剪切模量和硬度的大小变化为先增大后减小，在掺杂Ta或Re原子时达到最大值。当掺入1.25%的Re原子时，剪切模量值为252GPa，增大较多，硬度最大达到了35GPa。当掺入2.5%的Ta原子时，剪切模量为248GPa，硬度最大值达到了35GPa，其次为R

5、e原子。当浓度为10%时，W0.5Ta0.5B4-2u在热力学上是最稳定的，可能是很好的抗氧化材料。（3）利用第一性原理，计算了含空位过渡金属硼化物的晶格常数、生成焓和弹性常数。主要选取的结构有WB3_6u、WB3_OsB3和WB4-2u，分别建立了2、4、8、9倍的超胞。研究结果表明，引入空位后热力学稳定性呈线性下降，其中WB2.5_OsB3，WB2_OsB3和WB3.5-2u的生成焓大于零，在热力学上是不稳定的。含有空位的WB4-2u在力学性能上有较小提升，虽然WB3.945-2u、WB3.875-2u体模量和剪切模量都相应减小了，但根据体模量和剪切模

6、量的关系式得出硬度略有提高，大约为30GPa。因为含有空位的WB3_OsB3，WB2.5_OsB3和WB2_OsB3的C44<0，C55<0不满足力学稳定性I内蒙古工业大学硕士学位论文判据；同时，含硼空位的WB4-2u，WB3.75-2u和WB3.5-2u同样不满足力学稳定性判据，表明它们在热力学上是不稳定的。关键词：第一性原理；过渡金属硼化物；热学稳定性；力学性能II内蒙古工业大学硕士学位论文AbstractInrecentyears,thetransitionmentalborides(TMBs)haveattractedextensiveattent

7、ionoftheresearchers,duetoitsoutstandingphysicalandchemicalproperties.Inadditiontoitssimplesyntheticconditionsandcanbesynthesizedunderambientpressure.Sotherehasprovokedalotoftheoreticalandexperimentalresearch.Thestudyshowsthatnewtypeofsuperhardmaterialisrelatedtothecovalentbondform

8、edoflightelementsandunconcernedab