碳化物陶瓷表面和金属-氮化物界面的第一原理研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 张怀征 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2007-05-28 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 王绍青 |
| 关键词 | 陶瓷 表面 界面 第一原理 力学性能 |
| 其他题名 | First-Principles Study of the Surface and Interface of Carbide and Nitride Ceramics |
| 学位专业 | 材料物理与化学 |
| 中文摘要 | 过渡族金属元素碳化物TMC (transition-metal carbides) 和氮化物TMN (transition-metal nitrides) 具有高熔点，高硬度和耐腐蚀等优点。由于它们优异的性能，过渡族金属碳化物和氮化物已经在工业中得到广泛应用，例如，机械构件上的耐磨,耐蚀涂层，电接触材料，电子器件的扩散障垒和金属基复合材料等方面。在这些应用当中，它们经常以表面和界面形式存在，因此表面和界面性质对于其应用至关重要。 首先本工作采用第一原理方法研究了过渡族金属碳化物和氮化物的表面性质，计算了IVB和VB过渡族金属碳化物的结合能和（001）表面的表面能和表面褶皱。对结合能的分析发现，IVB和VB过渡族金属碳化物的结合能都是随着周期数和金属原子半径的增大而增大。IVB和VB过渡族金属碳化物（001）表面能随周期数的增加呈递增趋势。IVB过渡族金属碳化物（001）表面的褶皱程度普遍小于VB过渡族金属碳化物（001）表面。对表面能的分析发现结合能和表面褶皱程度两种因素共同影响和决定表面能。 其次在研究二元过渡族金属碳化物的基础上，我们运用第一原理方法研究了三元碳化物Ti3SiC2和Ti3AlC2 (001)表面。从原子角度研究了Ti3SiC2和Ti3AlC2 (001)表面的原子结构、表面皱褶和表面稳定性。对于Ti3SiC2和Ti3AlC2的计算发现，Ti2-C是两体系中最难断裂的化学键；Ti2-Si/Al是两体系中最易断裂的化学键。Ti3SiC2中Ti2-Si的键强大于Ti3AlC2中Ti2-Al的键强。这可以解释实验上Ti3SiC2和Ti3AlC2具有较大体模量的现象。表面弛豫表明表面原子皱褶的程度随表面化学键强度的增加而增加，化学键较弱的表面具有较小的原子皱褶。关于Ti3SiC2和Ti3AlC2表面稳定性的研究得到了不同化学势条件下可能稳定存在的表面形态。这些信息有助于对Mn+1AXn类化合物表面性质以及与其表面相关问题的理解，例如腐蚀、外延生长和界面问题。 再次我们运用第一原理方法研究了TiN/VN(001)界面结合问题，计算了界面的弛豫结构和界面结合功。TiN/VN(001)界面最稳定的构型是界面处延续TiN和VN的NaCl堆垛结构。这种构型的界面结合功是2.11 J/m2，属于强结合界面。电子结构分析发现界面处存在较强的Ti-N和V-N化学键。 最后我们计算了金属-陶瓷界面的力学性质。本部分工作主要研究了Mg和Zn合金元素对界面结合的影响，解释了实验上合金元素影响界面结合的现象，通过电子结构分析了内在的物理原因，即Mg-N和Zn-N键弱于Al-N键，并且Mg-N键的强度大于Zn-N键，因此含Mg界面的强度大于含Zn界面的强度。对于纯Al/TiN(001)和含Mg，Zn的界面拉伸模拟得到了理论拉伸强度和理论断裂点。这部分研究发现对于界面结合相对较强的纯Al/TiN(001)界面断裂发生在金属层内部，含Mg和Zn的界面结合相对较弱的界面断裂发生在界面处。这些结果解释了实验上关于强结合界面断裂发生在金属内部，弱结合界面断裂发生在界面处的现象。对于界面滑移的研究发现，界面结合越强即界面结合功越大，则界面滑移能垒越大，界面滑越困难，界面滑移能垒随着界面结合功的增加而增加。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 127 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17116]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 张怀征. 碳化物陶瓷表面和金属-氮化物界面的第一原理研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2007. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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