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掺杂5d过渡金属、C、N对ReB2和WB4的热、力学性能影响的研究

批准号:
21261013
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
48.0 万元
负责人:
赵二俊
依托单位:
学科分类:
化学反应机制
结题年份:
2016
批准年份:
2012
项目状态:
已结题
项目参与者:
侯清玉、关玉琴、林琳、杜云刚、迎春、赵立凯、张回园、王文彬

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
超硬材料在科学、技术和工业领域具有非常重要的价值。高温高压合成的金刚石和立方氮化硼的应用都受到很大限制。与它们相比,常压下合成的超硬材料ReB2和WB4更具有市场竞争力,实验报道少量Re掺入WB4中,虽然可提高硬度,但相应成本也提高了。掺杂引起硬度变化的内在微观机理不清楚。掺杂对ReB2和WB4各种性质影响的研究还很少。.本项目拟研究掺杂5d 过渡金属、C、N对超硬材料ReB2和WB4的结构、相稳定性和力学性质影响的内在微观机理。探讨常压及高压下掺杂化合物的热、力学性质以及相变;利用从生成焓-压强关系以及能量凸包之间的关系的角度和化学势能的角度来判定相稳定性的两种方法,寻找基态结构;探讨电子结构与力学性质,如体模量、剪切模量、理想强度、硬度等之间的关系等。研究哪些规律是特定体系的特殊行为,哪些是普遍规律。从得到的普遍规律中抽象出物理模型,指导实验合成和预测新型高硬度材料。
英文摘要
Superhard materials are of considerable importance for science, technology and industrial applications. Diamond and cubic boron nitride must be synthesized at high tempreture and pressure, and their applications are generally limited by cost. Compared with them, ReB2 and WB4 synthesized at ambient pressure are even more competitive on the market. Moreover, WB4 with a small amount of Re increased hardness, although the cost is increased. The precise mechanism for the increased hardness by the addition of Re is not yet understood in detail. The investigation on effect of doping on various properties of ReB2 and WB4 are scare. .In this project, we study effect of the 5d transitional metal, C and N doping on crytal structure, phase stability and mechanical property of superhard ReB2 and WB4. It is discussed that the thermodynamic and mechanical properties,and phase transformation of doping compounds at ambient and high pressures. Using two methods of idetifying the phase stability from enthalpy pressure relationship and convex hulls, and chemical potentials, to search the ground state phase. Moreover, we discuss the correlation between electronic structure and mechanical properties, such as bulk and shear moduli, hardness, strength. It is studied that what is the special behaviour of a particular system, which is a universal law. From the universal law, we extract the physical models, and guide synthesis and prediction of new materials with high hardness.
本项目采用基于遗传基因算法和粒子群优化算法的晶体结构预测方法,与基于密度泛函理论的第一性原理,系统地研究了二元体系过渡金属硼化物的结构、力学、热力学和动力学性质。利用体模量和剪切模量,进行硬度估算。研究发现ReB2具有最大的剪切模量,所估算的硬度也是最大的;WB3-WB3和OsB3-ReB3是潜在的超不可压缩或超硬材料。结合考虑生成焓与压强关系曲线及能量凸包(convex hull),给出了不同压强条件下的钽硼化物和钌硼化物的绝对稳定相。同时,研究了单掺5d过渡金属、Mo、Tc、C、N原子对ReB2、WB4和WB3的力学和热力学性质的影响,及其变化规律的探讨。C、N掺入会降低化合物的热力学稳定性,但掺入少量C、N能略微提高化合物的体模量和剪切模量。对于ReB2,研究结果表明,单掺Mo或Tc化合物的生成焓的变化量远大于掺杂5d过渡金属的化合物;对单掺5d过渡金属化合物,随着原子序数的增加,生成焓先减小后增加,ReB2具有最小的生成焓;而且Re15TaB32和Re15WB32的硬度超过了纯ReB2的估算硬度(40.1GPa),也超过了超硬材料的阈值(40GPa),是潜在的超硬材料。对于WB4掺杂体系,随着原子序数的增加,生成焓先减小后增加,且掺入Ta的化合物生成焓最小,表明掺Ta化合物是比较容易合成的。W15ReB64、WReB8、W7TaB32和W7ReB32的弹性模量和硬度都大于未掺杂的WB4。对WB3,随着原子序数的增加,掺杂化合物生成焓先增加后减小,WB3具有最大的生成焓,表明掺杂有利于提高化合物的热力学性质;掺Ta化合物具有最大硬度。对于WB4和WB3,不管是单掺Mo、Tc,还是单掺5d过渡金属,掺杂化合物的硬度都小于40GPa,并不是超硬材料。对于硬度接近或高于40GPa的化合物,期待实验进行研究。希望我们的研究能为硬质或超硬材料的掺杂改性研究提供有意义的指导。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI: --
发表时间: 2013
期刊: Acta Physica Sinica
影响因子: 1
作者: [赵立凯, 赵二俊, 武志坚]
通讯作者: 武志坚
DOI: 10.1016/j.cocom.2015.03.001
发表时间: 2015-06
期刊: Computational Condensed Matter
影响因子: 2.1
作者: [Xiaozheng Zhang;Xiaowan Bai;E. Zhao;Zhijian Wu;Lei Fu;Q. Hou]
通讯作者: Xiaozheng Zhang;Xiaowan Bai;E. Zhao;Zhijian Wu;Lei Fu;Q. Hou
Phase stability and mechanical properties of ruthenium borides from first principles calculations
根据第一原理计算硼化钌的相稳定性和机械性能
DOI: 10.1016/j.commatsci.2014.07.057
发表时间: 2014-12
期刊: Computational Materials Science
影响因子: 3.3
作者: [Zhao E. J., Wu Z. J., Li K., Hou Q. Y.]
通讯作者: Hou Q. Y.
Prediction of new high pressure of TaB3: first-principles
TaB3新高压的预测:第一原理
DOI: --
发表时间: 2015
期刊: Journal of Alloys and Compounds
影响因子: 6.2
作者: [Zhang X. Z., Zhao E. J., Wu Z. J.]
通讯作者: Wu Z. J.
6
    全无机钙钛矿中深浅能级缺陷对非辐射复合影响的理论研究
    • 批准号:
      --
    • 项目类别:
      地区科学基金项目
    • 资助金额:
      32万元
    • 批准年份:
      2022
    • 负责人:
      赵二俊
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金