层状金属碳化物材料的力学行为及相变机制的理论研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 路宇畅 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 文献子类 | 硕士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 怀平 |
| 关键词 | 层状金属碳化物 MXene 力学性质 空位缺陷 结构相变与预测 第一性原理研究 |
| 英文摘要 | 二维层状过渡金属碳化物(MXenes)是二维材料的一个新分支,因其具有良好的热力学稳定性、优异的机械强度和弹性强度、比表面积大、离子交换能力强、抗酸性及抗辐照性能高等优异特性,在超级电容器、锂离子电池、催化、核能材料等领域具有潜在应用。一般地,材料的结构稳定性及其力学性能是其应用中需要考虑的主要基本性质。考虑到化学刻蚀是目前MXenes的主要制备方法,所得到的MXenes表面往往会覆盖表面基团,且不可避免地出现空位等缺陷,这些均会影响材料的性质,进而在一定程度上影响材料的实际应用。另一方面,温度、压力等会导致材料微观结构的变化,例如导致材料原子间平均距离变化甚至发生相变,从而使得材料化学键特性及宏观性质发生变化。鉴于新型层状过渡金属碳化物可能应用的高温高压环境,如作为先进核能服役环境下的耐辐照材料或乏燃料分离介质,需对其在高温高压等极端环境下晶体结构稳定性进行研究。据此,本论文基于第一性原理方法,系统地研究了二维金属碳化物M_2CT_2(M=Ti,Zr,Hf;T=O,F,OH)的力学性能,并初步预测了层状金属碳化物材料Ti_3C_2在高压下的结构相变机制,主要结论如下:(1)系统地计算和分析了二维金属碳化物M_2CT_2(M=Ti,Zr,Hf;T=O,F,OH)MXenes材料(含不同金属成分及表面官能团覆盖)在单/双轴方向均匀拉伸条件下的应力-应变曲线,并基于此获得其强度、临界应变、杨氏模量、平面刚度、泊松比等关键力学性质参数,进而探讨了缺陷对MXenes材料力学性能的影响。结果表明,表面功能化基团可以增加初始M_2C MXenes材料的临界应变,增强其韧性。不同表面功能化的基团对MXenes材料力学性质的影响程度依次为:O>F>OH。其次,对于不同金属成分的M_2CT_2(M=Ti,Zr,Hf),不同过渡金属成分MXenes间呈现相似的拉伸性能可能是由于Ti、Zr、Hf元素相似的化学性质所致。空位缺陷会显著降低MXene体系的拉伸性能,理想强度、临界应变、平面刚度常数和杨氏模量分别有40-50%、33-50%、17-21%和20-27%程度的降低。此外,由于碳空位的存在,在双轴拉伸条件下,由于沿两个正交方向缺陷的线缺陷浓度不同,缺陷也会影响键合,导致材料在锯齿形(zigzag)和扶手椅(armchair)方向的应力呈现一定的各向异性。(2)初步获得金属碳化物Ti_3C_2材料在高压环境下的结构相变机制。采用粒子群优化算法并结合第一性原理计算对Ti_3C_2材料在0GPa、50GPa、100GPa、150GPa等多个压强的晶体结构进行了全面搜寻。在给定不同的压强范围内,预测了近30个可能存在的结构。通过综合验证能量的稳定性、动力学稳定性等确定7个可能发生结构相变的稳定相。进一步地,通过对稳定相的状态方程(能量-体积关系)进行分析,确定Ti_3C_2材料由基态相(C2/c相)过渡到高压相(P4/mbm相)这一组相变关系。最后,通过分析两相的焓-压关系,确定了两相相变压强约为27GPa。本论文工作系统分析了二维层状碳化物M_2CT_2材料的基本力学性能,并初步获得层状金属碳化物Ti_3C_2材料的结构相变机制。相关结果对于理解该类材料的结构及其力学稳定性具有重要的理论参考价值,进而为后续的理论及应用研究提供理论依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33818]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 作者单位 | 中国科学院上海应用物理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 路宇畅. 层状金属碳化物材料的力学行为及相变机制的理论研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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