TiAlN、TiAlSiN結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、TiAlN和TiAlSiN以其優(yōu)良的力學(xué)性能、抗高溫氧化性、耐磨損能力、高膜基結(jié)合強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性等特性在表面保護(hù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本課題采用基于密度泛函理論的第一性原理方法對二者進(jìn)行了理論研究。
　　本文首先計(jì)算了Ti、Al、Si、N單原子能量,研究了TiN和AlN的晶格常數(shù)、力學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)。進(jìn)而在TiN和AlN的基礎(chǔ)上分別構(gòu)建了一系列具備不同Ti、Al含量的NaCl結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)TiAlN模型,然后對其晶體結(jié)

2、構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)NaCl結(jié)構(gòu)TiAlN晶格常數(shù)比TiN下降了,并且隨著Al元素含量的增加晶格常數(shù)進(jìn)一步減小,同時(shí)總能和結(jié)合能也都有所下降。力學(xué)計(jì)算表明在Al加入后使其彈性模量下降了,說明TiAlN抵抗變形的能力較TiN變?nèi)酢ｋ娮咏Y(jié)構(gòu)的分析表明,Al原子的加入并未改變TiN的金屬性。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的TiAlN平衡晶格常數(shù)a和c都隨著Ti含量的增多逐漸變大,結(jié)合能有所升高,力學(xué)性能的計(jì)算顯示其彈性模量下降了,說明其抵抗彈性形變的能力變?nèi)趿?同

3、時(shí)脆性下降,力學(xué)各項(xiàng)異性變?nèi)?。對能帶研究發(fā)現(xiàn)Ti元素的加入減小了帶隙。通過理論計(jì)算找到了Al含量約為67at.％時(shí)是TiAlN結(jié)構(gòu)相變的關(guān)鍵點(diǎn),在此值附近發(fā)生因Al含量變化引起的B1到B4的結(jié)構(gòu)相變。
　　在TiAlN的基礎(chǔ)上構(gòu)建了固溶型和置換界面型兩種TiAlSiN結(jié)構(gòu)形式,并分別對其結(jié)構(gòu)參數(shù)、力學(xué)性質(zhì)、電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析,研究了Si、Al含量對TiAlSiN性質(zhì)的影響,并對Si在其中的存在形式做了初步的探究。發(fā)現(xiàn)TiAlS

4、iN較TiAlN晶格常數(shù)降低了,力學(xué)性能有不同程度的增強(qiáng),其中置換界面型結(jié)構(gòu)表現(xiàn)更好,在Al含量較低時(shí)具備較高的力學(xué)性能,置換界面型結(jié)構(gòu)的Ti0.75Al0.125Si0.125N力學(xué)性能最佳:體模量達(dá)到290.9GPa,切變模量為197GPa,楊氏模量為482GPa,理論硬度值為48.2GPa,在所計(jì)算的幾個(gè)體系中均為最大值。能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度研究表明TiAlSiN為導(dǎo)體,呈現(xiàn)金屬性。在經(jīng)過較系統(tǒng)的分析后認(rèn)為TiAlSiN更優(yōu)良,綜合性