高壓下Mg2Ni 合金結構穩定性和彈性性質的第一性原理研究

肖雄 逯來玉 饒梓楚

摘要： 基于密度泛函理論的第一性原理，本文對不同壓強下Mg2Ni 合金的晶格結構和力學性能進行了計算和分析. 計算結果表明：在0～60 GPa 范圍內，Mg2Ni 的晶格常數和晶胞體積隨壓強增加而單調減小. Mg2Ni 的彈性常數C11、C12、C13、C33 和C44 在0～35 GPa 壓強下滿足穩定性判據，在40～60 GPa 壓強下不滿足穩定性判據，表明機械性能不穩定. 高壓會增強Mg2Ni的體模量B、楊氏模量Y、剪切模量G. Mg2Ni 的柯西壓力、G/B 和泊松比，均表明Mg2Ni 在0～5 GPa 壓強下表現出脆性，在7～35 GPa 壓強下表現出延展性.

關鍵詞： Mg2Ni 合金； 力學性能； 第一性原理

中圖分類號： O482 文獻標志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 034003

1 引言

在國家“ 雙碳”政策的引領下，氫能作為綠色、高效的能源被廣泛應用到新型燃料電池中. 氫能具有綠色、無污染、可再生、燃燒熱值大和釋放能量多等優點，是理想的清潔能源，但如何高效安全地存儲氫氣是影響氫能源發展的關鍵. 鎂合金具有密度低、強度高、韌性好和資源豐富等優點，被廣泛運用于汽車生產和航空航天等領域. Mg2Ni 合金具有密度小、儲氫容量高、資源豐富和價格低廉等特點，在儲氫領域具有廣泛的應用前景. Gupta 等［1］使用添加劑球磨的方式，合成了Mg-Mg2Ni-C 復合材料，實驗發現加入C 后，材料的儲氫性能增強，在溫度為300 ℃、壓強為0. 35 MPa 條件下，可以吸收6. 2% 的氫. Guo 等［2］研究了氫誘導18r 型長周期堆積有序相分解過程中納米級和微米級Mg2Ni 顆粒的析出機理. 納米級Mg2Ni 顆粒附著在晶粒內部的YH2 顆粒上，而微觀級Mg2Ni 顆粒由于Ni 原子的偏析在晶界處形成. 納米Mg2Ni 與YH2 的結合降低了體系的總能量. Chen 等［3］采用第一性原理計算研究了Mg/Mg2Ni 界面的穩定性和氫吸附行為并發現吸附在界面區的氫原子傾向于與金屬原子（Ni 和Mg 原子）形成共價鍵，對于大多數可能的吸附位點，金屬原子的吸附能范圍為?0. 831～?0. 019 eV. 然而，H-金屬鍵的強度取決于H 所處的環境. Skryabina 等［4］利用快速鍛造塑性變形技術加工合成了Mg/Ni 細粉混合物，發現在一定閾值溫度，Mg2Ni 合金的量會隨溫度的升高以遞增的比例直接合成. Guo 等［5］討論了納米晶體LaH3和Mg2Ni 的析出行為，發現原位形成的Mg-Mg2Ni-LaH3 納米復合材料，其脫氫性能顯著增強. LaH3 的形成有利于促進加氫過程，Mg2Ni有利于提高脫氫性能. Gao 等［6］通過第一性原理計算方法探討了稀土（Y、Ce、La、Sc）摻雜對Mg2Ni（010）表面熱穩定性、電子性能和氫吸附/解吸. 稀土原子削弱了 H與 Mg2N（i 010）襯底之間的結合強度，從而降低了氫的擴散和解吸能壘，提高了Mg2Ni的儲氫性能. 在四種稀土元素中，Ce 表現出最好的潛力. Cao 等［7］嘗試采用熔融萃取（ME）法制備Mg含量較高且分布均勻的Mg2Ni 催化相的Mg-Ni 合金纖維，形成一種獨特的金屬玻璃纖維. 350 ℃真空預退火后，原位形成均勻分散的Mg2Ni 納米顆粒，相變為金屬玻璃. Mg-Ni 纖維在50 ℃ 下可吸收約1. 5 wt% 的氫，在225 ℃下8. 8 min 即可完全釋放.趙強等［8］通過制備Mg-Mg2Ni-TiO2復合材料實驗發現，合金的吸放氫溫度明顯下降，儲氫量得到了提高. 王佳寧等［9］研究發現Mg2Ni 熱力學穩定性較好，體模量彈性各向異性最小，研究中采用了96 個原子的超胞結構研究了10 種存在的點缺陷結構，通過缺陷形成能的計算說明了與空位缺陷相比，反位缺陷更容易形成. Tsushio 等［10］制備并探究摻雜其他元素對Mg2Ni 合金儲氫性能的影響，發現其他元素摻雜到Mg2Ni 合金可以改變合金的儲氫性能，且Mg2Ni 合金A 和B 兩側都被取代時，合金的儲氫性能最佳. 目前，系統研究Mg2Ni 合金的高壓下彈性性質的文獻很少，因此本文采用第一性原理方法系統研究不同壓力對Mg2Ni 合金的晶體結構和力學性能影響. 這對更深入研究相關的Mg2Ni 儲氫材料有一定意義.