碳化钨铝相和非晶碳相的结构与力学性质的模拟研究

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1、———————————————————————————————碳化钨铝相和非晶碳相的结构与力学性质的模拟研究———————————————————————————————Simulationstudyforthestructuralandmechanicalpropertiesoftungstenaluminumcarbideandamorphouscarbonphase———————————————————————————————作者姓名：王连莉专业名称：材料学研究方向：计算材料学指导教师：赵明教授蒋青教授学位类别：工学博士培养单位：材料科学与工程学院论文答

2、辩日期：2014年12月5日授予学位日期：年月日答辩委员会主席：张新波研究员论文评阅人：王渊旭教授管鹏飞教授郎兴友教授盲审专家（2人）摘要碳化钨铝相和非晶碳相的结构与力学性质的模拟研究摘要在钨的碳化物中，只有六方结构的碳化钨（WC）能够在室温稳定存在，而其他碳化物（W2C和WC1-x）通过高温淬火的方式才能获得。WC更重要的存在意义在于它的工程应用价值，作为高熔点（T=3070K），高硬度以及高力学稳定性的难熔材料，它通常与钴或者其他的碳化物（例如TiC和Cr2C3）烧结形成硬质合金。硬质合金被广泛地应用于磨损部件和切削工具中。长久以来，对于这种材料的研究热点

3、在于通过调节成分和微结构去改善性质和降低硬质合金的成本。因为W元素是一种战略金属，任何可以用来替代W的储量更丰富且价格更低的金属的研究都具有重要意义。最近，有研究者通过机械合金化结合烧结的方法合成了一种新的碳化物(W1-xAlx)CZ，实验表明这类碳化物具有六方WC结构。相对于W而言，Al的成本较低且硬度也偏低，但是合成的碳化物具有优异的力学性质。例如，(W1/2Al1/2)CZ体系的硬度在碳空位浓度为35%时可以达到2659kg/mm2，同时其密度和成本都比WC低很多。对于这类具有不同寻常的固溶体结构与力学性质的碳化物，对其本质的原子结构和物理背景的理解仍然

4、是不清楚的，需要进一步地研究。另一方面，为了寻找新的高硬度或者高不可压缩性材料，研究者们进行了大量的努力试图制备出sp2杂化成键的三维碳网络结构。因为他们坚信结构的不可压缩性与体系的键长相关，也就是键长越短的固体材料越硬。事实上，已经有一些工作表明，大块石墨的衍生物单层石墨烯表现出1.0TPa的超高杨氏模量。这就更加坚定了研究者们的信心。然而我们知道石墨由于其自然的平面结构以及平面间的弱的范德华力结合，导致其本质上是软的。因此，研究者们建议：如果要实现高硬度的意图，sp2杂化成键的碳原子应该形成三维结构。基于这个思想，已经构建的sp2杂化成键的H-6和bct-

5、4碳材料中，不可压缩性最高的体模量为370GPa，仍然低于金刚石的值。此外，正如我们知道的，作为一种清洁、有效的可调参数，高压被广泛地用于研究碳同素异构体的研究，其中包括石墨，富勒烯C60和它的衍生物以及碳纳米管。压力-温度的不同处理方法对最终产物的结构与性质起关键性作用，从而使得文献中出现许多截然不同的结果。从基础研究的角度看，非晶碳材料由于其结构与性质的复杂变化吸引人们去研究，而在这个变化中，sp2和sp3杂化成键起决定性作用。其中，玻璃碳（glassycarbon，GC）I吉林大学博士学位论文是一种在室温条件下包含近乎100%sp2杂化成键的非晶碳同素异

6、构体。它由分散的卷曲石墨烯状片层组成。最近有两个研究团队通过压缩GC给出完全不同的高压结果，主要的分歧集中于sp2到sp3杂化成键的转化。有另外的研究者报道称这可能是因为它们施压方式不同（静水压力或者非静水压力）。因此说，通过调节压力-温度对GC进行处理，可能获得的相是值得探究的。计算机模拟不仅能够用较短的时间去模拟实验状况，而且能模拟实验上不容易获得的物质状态。基于上面的考虑，我们采用计算机模拟研究了(W21/2Al1/2)CZ相和富sp杂化成键的高密度非晶碳相的结构与力学性质。主要研究成果分为以下三个部分：一、基于第一性原理计算，我们选择(W1/2Al1/

7、2)CZ碳化物去研究碳浓度Z对其剪切模量G，弹性常数cij和泊松比ν的影响，探究其相关的电子结构从而发现Z对其性质影响的电子起源。结果为Z对(W1/2Al1/2)CZ的G值的影响提供了理论支持。研究结果表明Z=3/4时，G值达到最大，ν值为最低，与实验中碳浓度对硬度的影响基本一致。最终，通过对G(Z)函数和ν值的理解，能够为碳化物的合金化或者固溶处理提供理论指导。二、选择(W1/2Al1/2)C相的两种可能的结构类型，即：WC-type和NiAs-type。基于第一性原理计算研究其热力学和晶格动力学稳定性，并计算其力学和电子性质。结果表明对于(W1/2Al1/

8、2)C相，NiAs-type比实验建议