Ta1-xHfxC和Ta1-xZrxC固溶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究*

張碩鑫 劉士余2)? 嚴(yán)達(dá)利 余淺 任海濤 于彬 李德軍

1) (天津師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院， 天津 300387)

2) (南開大學(xué)， 先進(jìn)能源材料化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300071)

隨著航空航天領(lǐng)域的飛速發(fā)展， 極端的環(huán)境要求超高溫陶瓷材料具有更好的力學(xué)性能和超高熔點(diǎn).目前， 單金屬碳化物的超高溫陶瓷材料承受的壓力日漸增大.為了解決過渡金屬單碳化物性能不足的問題， 我們基于密度泛函理論系統(tǒng)地研究了Ta1—xHfxC和Ta1—xZrxC (0 ≤ x ≤ 1)固溶體的物理性質(zhì).通過調(diào)節(jié)Hf和Zr的濃度來研究它們的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、晶格參數(shù)、力學(xué)性能、熔點(diǎn)和電子結(jié)構(gòu).我們的計算結(jié)果表明碳化物固溶體的穩(wěn)定性隨Hf/Zr含量的增加而增加， 并且當(dāng)Hf/Zr含量相同時， Ta1—xZrxC比Ta1—xHfxC的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定.我們還發(fā)現(xiàn)隨著Hf/Zr含量的增加， 固溶體的晶格常數(shù)和體積會膨脹.Ta1—xHfxC和Ta1—xZrxC固溶體的體積模量隨著Hf/Zr含量的增加而減小， 而固溶體的熔點(diǎn)、楊氏模量、剪切模量、維氏硬度和斷裂韌性在摻雜含量x = 0.2處會出現(xiàn)峰值.而且， 添加Hf和Zr可以提高TaC的耐磨性.電子態(tài)密度結(jié)果顯示隨著Hf/Zr含量的增加， 固溶體費(fèi)米能級處的態(tài)密度值逐漸降低， 這表明固溶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng).

1 引 言

過渡金屬碳化物TaC， HfC和ZrC是應(yīng)用于航空航天工業(yè)的最有前途的超高溫陶瓷(UHTC)候選材料， 它們具有強(qiáng)的共價鍵和低的自擴(kuò)散系數(shù)， 具有超高的熔融溫度、高硬度、高模量， 高斷裂韌性、高電導(dǎo)率、良好的耐腐蝕性和出色的化學(xué)穩(wěn)定性[1-7].然而， 隨著社會日新月異的發(fā)展， 單碳化物承受著越……