第一原理電子論によるAl粒界の構造と物性の研究

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応力下におけるAl結晶粒界の原子配置と電子構造変化を計算し、Naの偏析があるとない場合のAl粒界の「第一原理引張試験」を行った。応力-ひずみの関係により、純Al粒界の場合に、ひずみが31%で最大応力は9.9GPaであり、Na偏析した場合には、ひずみが25%で最大応力は9.3GPaである。Naの偏析した場合の応力は純Al粒界に比べると少し低くなり、純Al粒界より先に破壊すると判る。Al粒界の破壊するまえにひずみが23%から応力の増加は遅くなり、31%で最大応力が達してから応力も遅く減少していく。この結果はDeyimenjianらの[100]結晶軸方向に沿ってAl完全結晶の破壊方式と類似している。Σ9対応粒界でのAl-Alボンドは強く結合されていると考えられる。Al粒界の価電子密度の結果によっても、粒界で価電子はかなり存在していることが判る。Naが偏析した場合には、粒界に垂直するxx方向ではひずみの増加にともない、応力が高くなった。最大応力に対するひずみが25%である。ひずみが0-5%範囲にユニットセルに圧応力があると判っている。純Al粒界と比べると、Naの偏析の場合に応力がプラスになる必要なひずみが高い(純Al粒界:3-4%の間;Al-Na系:5%)。NaがAl粒界に偏析するとAl粒界が膨張し、さらにユニットセルに圧応力が残ったためであると考えられる。ひずみの増加とともに価電子密度とボンド長の変化を調べた。純Al粒界の場合に粒界でのEFボンドが切れる。Naの偏析した場合にはNa周辺のEFとEHボンドはともに切れる。「Naの偏析によりNa周辺の価電子密度大幅に減少するため、不純物偏析により界面の結合強度(adhesion)が弱まる」の結論と一致した。