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四川轻化工大学学报（自然科学版） 2020年第6期33卷 1-5页

作者：房勇肖盼罗雅潇梁云龙杨俊四川轻化工大学材料科学与工程学院四川自贡643000 自贡源树科技服务有限公司四川自贡64300

以铜薄膜和氧化镁3个低指数面基底((100)、(110)、(111))形成的界面为研究对象,采用第一性原理模拟方法结合周期性平板模型,对Cu/Mg O(100)、Cu/Mg O(110)、Cu/Mg O(111)3个体系的界面原子匹配、界面结合强度和界面电子结构进行了计算... 详细信息

以铜薄膜和氧化镁3个低指数面基底((100)、(110)、(111))形成的界面为研究对象,采用第一性原理模拟方法结合周期性平板模型,对Cu/Mg O(100)、Cu/Mg O(110)、Cu/Mg O(111)3个体系的界面原子匹配、界面结合强度和界面电子结构进行了计算和对比。模拟结果表明基底取向不同会导致Cu/Mg O界面原子匹配存在明显差异,进而对界面分离功产生影响,其中Cu/Mg O(111)体系界面分离功最大(6.73 J/m^2),Cu/Mg O(110)次之(2.40 J/m^2),Cu/Mg O(100)最小(1.44 J/m^2),显示出基底取向对复合材料界面结构和性能的调控作用。电子结构计算表明界面分离功大小与界面处电荷转移的数量有关,界面电荷转移数量越多,界面分离功越大,且电荷转移主要发生在界面处两层原子之间。

关键词：金属/氧化物晶体取向界面微观结构第一性原理模拟

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铁基非晶态合金机械性能与结构关系的第一性原理模拟计算

铁基非晶态合金机械性能与结构关系的第一性原理模拟计算

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作者：史罗红新疆大学

学位级别：硕士

本论文采用第一性原理分子动力学模拟计算方法,从短程序和中程序结构的角度研究了FeNiPB(x=0,20,30,40,50 at.%)和FeMoPB(x=3,6,9 at.%)两个非晶态合金体系的机械性能与结构之间的关系,主要研究结果总结如下:(1)在第一个工作中,为调查N... 详细信息

本论文采用第一性原理分子动力学模拟计算方法,从短程序和中程序结构的角度研究了FeNiPB(x=0,20,30,40,50 at.%)和FeMoPB(x=3,6,9 at.%)两个非晶态合金体系的机械性能与结构之间的关系,主要研究结果总结如下:(1)在第一个工作中,为调查Ni替代Fe导致FePB块体非晶态合金的塑性显著提高的结构起源,我们利用第一性原理分子动力学模拟计算方法研究了FeNiPB(x=0,20,30,40,50 at.%)非晶态合金的短程序和中程序结构。结果发现,用Ni替代Fe引起B原子局域环境的显着变化。随着Ni对Fe的替换量的增加,B-B键的数量减少,并且在以B原子为中心的主要Voronoi多面体中,<0 3 6 0>多面体所占的比例减少,而<0 2 8 0>多面体所占的比例增加。除此之外,Fe-Ni-P-B非晶态合金的平均配位数随着Ni含量的增加而降低。B-B键的数量和平均配位数的减少有利于塑性变形,这可能解释了通过Ni替换Fe导致Fe-Ni-P-B非晶态合金塑性得到提高的原因。键对分析表明,随着Ni含量的增加,具有五次对称性的15xx键对所占的比例以及五边形的数量在减少,而非五次对称性的1431,142x和1311键对的数量在增加。这表明,对于Fe-Ni-P-B非晶态合金,短程序中五次对称性的减少有利于提高合金的塑性。对中程序结构的研究表明,随着Ni替代Fe含量的增加,共点连接方式增加,共边连接方式减少,这导致原子团簇的空洞和边界增加,从而有利于Fe-Ni-P-B非晶态合金塑性的提高。(2)第二个工作中,我们对FeMoPB(x=3,6,9 at.%)非晶态合金进行模拟计算,调查了Mo少量替换Fe对Fe-Mo-P-B非晶态合金结构的影响,从而揭示该合金机械性能和结构之间的关系。从双体分布函数和Voronoi多面体分布可以看到,当Mo含量为6at.%时,合金中B-B键的数目、类二十面体<0 1 102>和完美的二十面体<0 0 12 0>Voronoi多面体所占的比例最多,相应的FeMoPB非晶态合金的强度在这个合金序列中最大,表明类二十面体Voronoi多面体的数量与目前非晶态合金的强度密切相关。随着Mo含量的增多,五边形所占的比例减少,而实验测得此时Fe-Mo-P-B非晶态合金的塑性变大,表明对于Fe-Mo-P-B非晶态合金,减少短程序中的五次对称性有利于提高塑性。态密度分析结果显示,当Mo含量为6at.%时,Fe/Mo的3d电子和P/B的p电子形成的p-d杂化键最少,这可能解释了FeMoPB非晶态合金塑性达到最大的实验结果。随着Mo含量的增多,Fe的3d能带负自旋极大值出现先增大后减小的情况,表明Fe原子间的相互作用先增大后减小,与实验测得的Fe-Mo-P-B非晶态合金压缩强度随Mo含量的变化趋势一致。对中程序结构的分析表明,随Mo对Fe的替换量的增加,Fe-Mo-P-B非晶态合金中共点连接方式先增加后减少,共边连接方式先减少后增加,共面连接方式的变化不大,即短程序原子团簇的空穴和边界先增加后减少,这将导致Fe-Mo-P-B非晶态合金的塑性先提高后降低,其与实验结果一致。

关键词：非晶态合金第一性原理模拟原子排布结构机械性能

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Zr-Cr-Al-C化合物结构与力学性质的第一性原理模拟

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天津化工 2018年第4期32卷 23-25页

作者：车晓东孟志荣郭志易张小涛太原工业学院材料工程系山西太原030008

三元层状陶瓷因兼具金属和陶瓷的优点而被广泛研究。本文采用第一性原理CASTEP软件计算了两种三元层状陶瓷—Cr_2AlC和Zr_4Al_3C_6的结构和力学性质。结构优化后,这两种化合物的晶格常数与实验值符合地很好,说明了计算结果可靠。Cr_2Al... 详细信息

三元层状陶瓷因兼具金属和陶瓷的优点而被广泛研究。本文采用第一性原理CASTEP软件计算了两种三元层状陶瓷—Cr_2AlC和Zr_4Al_3C_6的结构和力学性质。结构优化后,这两种化合物的晶格常数与实验值符合地很好,说明了计算结果可靠。Cr_2AlC的体弹性模量为179.5GPa,剪切模量为154.2GPa,维氏硬度28.9GPa;Zr_4Al_3C_6的体弹性模量为202.7GPa,剪切模量为157.6GPa,维氏硬度25.8GPa。

关键词： Cr2AlC Zr4Al3C6 力学性质第一性原理模拟

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镍基非晶合金的结构和性质的第一性原理模拟计算

镍基非晶合金的结构和性质的第一性原理模拟计算

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作者：吴迪新疆大学

学位级别：硕士

在本硕士论文中,我们运用第一性原理从头算分子动力学计算机模拟的方法对Ni80（P,B,C）20非晶态合金以及含Ni的Fe80P13C7非晶态合金进行了研究,主要工作包括以下两个部分。（1）为了研究类金属元素（P,B,C）对Ni基非晶态合金的原子排布... 详细信息

在本硕士论文中,我们运用第一性原理从头算分子动力学计算机模拟的方法对Ni80（P,B,C）20非晶态合金以及含Ni的Fe80P13C7非晶态合金进行了研究,主要工作包括以下两个部分。（1）为了研究类金属元素（P,B,C）对Ni基非晶态合金的原子排布结构以及玻璃化形成能力的影响,我们选取三个典型的Ni基非晶态合金,即Ni80P14B6,Ni80B14C6和Ni80P13C7,作为研究对象,对这三个合金从1800K逐步降温至300K的过程进行分子动力学计算模拟。双体分布函数分析结果表明,Ni80P14B6和Ni80P13C7这两个非晶态合金中的Ni-P和Ni-C键的键强比Ni80B14C6中Ni-B键要大,并且P-P,P-B,P-C和C-C键相互吸引,这有利于合金的玻璃化形成能力。相反,在Ni80B14C6非晶态合金中,B-B键和B-C键有相互排斥的倾向,这不利于非晶态合金的玻璃化形成能力。通过Voronoi多面体分析技术,我们发现P原子有两种占位方式,一种在反棱柱团簇的中心,另一种是在Ni原子的替换位置。相比于Ni80P13C7,Ni80P14B6非晶态合金中有更多以P原子为中心的类二十面体团簇,导致了更为复杂的溶体结构,这对玻璃化形成能力是有利的。通过以上分析,我们得到的结论是,这三种合金的玻璃化形成能力按照Ni80P14B6,Ni80P13C7和Ni80B14C6的顺序依次降低。（2）我们对Fe80P13C7和Fe50Ni30P13C7非晶态合金进行了第一性原理模拟计算,基此调查Ni的添加导致Fe80P13C7块体非晶态合金塑性得到很大提高的原因。结果表明,Fe80P13C7非晶态合金中以类二十面体团簇结构为主;而Fe50Ni30P13C7非晶态合金中阿基米德反棱柱团簇的比例明显升高,即五次对称性降低。相较于其它的原子配位方式,五次对称结构的排列使体系更致密,具有更高的构型转换障碍,因而更难发生剪切转变。因此,从短程有序中五次对称性的数量来看,模拟计算结果说明Ni的添加将导致Fe80P13C7非晶态合金塑性的提高。进一步,通过电荷密度图可以看到,Fe80P13C7合金中的金属-类金属元素之间电荷密度大于Fe50Ni30P13C7合金,这意味着,相比于Fe50Ni30P13C7,Fe80P13C7非晶态合金中金属-类金属元素间的键合有更多的共价键特性。相比于金属键合,共价键的强度较高,这使得合金的剪切模量升高,泊松系数减小,剪切流动阻碍变大,从而导致非晶态合金的塑性变差。并且,共价键的定域性很强,当块体非晶态合金受到足够大的应力迫使原子间发生相对位移时,将破坏它们之间的共价键键合,从而使材料发生断裂。因此,从键合特性的角度考虑,模拟计算的结果同样表明Ni的添加将导致Fe80P13C7中非晶态合金塑性的提高。

关键词：镍基非晶态合金第一性原理模拟原子排布玻璃化形成能力

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Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

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物理学报 2015年第23期64卷 227-236页

作者：彭军辉曾庆丰谢聪伟朱开金谭俊华太原工业学院材料工程系太原030008 西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室西安710072

本论文中,采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构,预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径.压力低于100 GPa时,除了常压下的结构HfC,Hf_3C_2,Hf_6C_5,并没有得到新的热力学稳... 详细信息

本论文中,采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构,预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径.压力低于100 GPa时,除了常压下的结构HfC,Hf_3C_2,Hf_6C_5,并没有得到新的热力学稳定结构.在200 GPa时,预测得到了一种新化合物——Hf_2C,空间群为I4/m;且HfC的结构发生了相变,空间群由Fmˉ3m变为C2/m.在300 GPa时,预测得到了另一种新化合物——HfC_2,空间群为Immm.而在400 GPa时,HfC的结构再次发生相变,空间群为Pnma.通过能量计算,得到了Hf-C体系的组分-压力相图:在压力分别低于15.5 GPa和37.7 GPa时,Hf_3C_2和Hf_6C_5是稳定的;压力分别大于102.5 GPa和215.5 GPa时,Hf_2C和HfC_2变成稳定化合物;HfC的相变路径为Fmˉ3m→C2/m→Pnma,相变压力分别为185.5 GPa和322 GPa.经结构优化后,得到了这四种高压新结构的晶体学数据,如晶格常数、原子位置等,并分析了其结构特点.对于Hf-C体系中的高压热力学稳定结构,分别计算了其弹性性质和声子谱曲线,证明是力学稳定和晶格动力学稳定的.采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数和Bader电荷分析,发现HfC(C2/m,Pnma结构),Hf_2C和HfC_2中Hf-C键具有强共价性、弱金属性和离子性,且C-C间存在共价作用.

关键词： Hf-C体系晶体结构预测电子性质第一性原理模拟

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铁基非晶态合金结构和性质的第一性原理模拟计算

铁基非晶态合金结构和性质的第一性原理模拟计算

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作者：张文彪新疆大学

学位级别：硕士

本论文选取铁基非晶态合金为研究对象,通过第一性原理分子动力学模拟计算对其液态及非晶态的结构和磁性进行分析。具体研究内容包括以下两部分。第一部分工作中,我们选取Fe80P13C7,Fe80P14B6和Fe80B14C6三个典型铁基非晶态合金体系在160... 详细信息

本论文选取铁基非晶态合金为研究对象,通过第一性原理分子动力学模拟计算对其液态及非晶态的结构和磁性进行分析。具体研究内容包括以下两部分。第一部分工作中,我们选取Fe80P13C7,Fe80P14B6和Fe80B14C6三个典型铁基非晶态合金体系在1600 K及300 K时的结构及态密度函数进行第一性原理分子动力学模拟,以研究类金属元素(P,C,B)对铁基非晶态合金的玻璃化形成能力(Glass Forming Ability,GFA)以及磁性能的影响。结果表明,在这三个体系中,Fe80P13C7和Fe80P14B6合金相比于Fe80B14C6合金具有较长的Fe-Fe键,并且Fe-Fe键的长度随温度降低增加较多。Fe-P键和Fe-C键之间的强度要大于Fe-B键的强度,且B-B,B-C间的双体分布函数(Pair Distribution Function,PDF)中表现出较差的溶质-溶质分离。另外,Voronoi多面体分析表明,Fe80P13C7合金中的P原子表现出不同占位,这增加了该合金结构的复杂性。基于以上结论,我们得到了三个体系的GFA按照Fe80P13C7,Fe80P14B6,Fe80B14C6的顺序依次降低。为了验证模拟结果,我们对三个合金的非晶薄带样品进行了差示扫描量热分析(Differential Scanning Calorimeter,DSC),进而推算出它们的玻璃化形成能力判据。实验获得的玻璃化形成能力判据的结果与模拟结果较好地符合。磁性的模拟计算的结果显示,饱和磁化强度按照Fe80B14C6,Fe80P14B6,Fe80P13C7的顺序增加。类金属P,C和B在三个体系中贡献的磁矩基本相似,分别为-0.06μB,-0.11μB和-0.12μB。第二部分工作中,我们对Fe80-xCoxP13C7(x=0,5,10,15,20 at.%)体系进行了模拟,以研究Co的添加对Fe80P13C7合金磁性能和结构的影响。同时通过控制模拟计算过程中的冷速,来探索冷速对体系的结构和磁性能的影响。模拟结果显示,各个体系的PDFs和Voronoi总体结果相同,但Fe75Co5P13C7非晶态合金体系具有增长和较多的Fe-Fe键,且该体系的Voronoi多面体分布表现出更大的结构复杂性,配位数也更加多样化,因此我们推断在这个合金系中,Fe75Co5P13C7非晶态合金体系具有最好的玻璃化形成能力。Fe80-xCoxP13C7(x=0,5,10,15,20)非晶态合金体系的态密度结果显示,体系的总磁矩主要来自Fe、Co原子的3d电子的贡献,同时P原子的3p电子和C原子的2p电子也有小的贡献。所有体系的总磁矩均随着Co含量的增加而减小。此外,随着冷速增加,体系的总磁矩有所降低。

关键词：第一性原理模拟铁基非晶态合金原子排布结构玻璃化形成能力磁性能

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锂离子电池磷负极的设计与储能机理第一性原理研究

锂离子电池磷负极的设计与储能机理第一性原理研究

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作者：王会丽天津大学

学位级别：博士

磷具有较高的理论比容量、相对低且安全的嵌锂电位、以及优异的导锂能力,被认为是极具研究潜力和应用价值的高比容量快充型锂离子电池负极材料之一。但在充放电过程中较大的体积膨胀和多磷化锂的溶出等问题降低了电池的循环稳定性和高... 详细信息

磷具有较高的理论比容量、相对低且安全的嵌锂电位、以及优异的导锂能力,被认为是极具研究潜力和应用价值的高比容量快充型锂离子电池负极材料之一。但在充放电过程中较大的体积膨胀和多磷化锂的溶出等问题降低了电池的循环稳定性和高倍率性能,限制了其实际应用。磷负极材料的结构设计和储锂机制研究对于改善磷负极性能至关重要。本文基于第一性原理模拟,首先从磷的拓扑结构和晶体结构设计出发,分别研究了手性黑磷纳米管和绿磷作为锂离子电池负极材料的储锂机制和电化学性能,为磷负极材料的设计与优化提供了研究思路和理论依据。随后,针对中间产物多磷化锂溶出穿梭和电压迟滞问题,筛选对多磷化锂具有较强化学吸附作用的添加剂,揭示了其对多磷化锂溶出的抑制作用和对反应动力学的催化作用,为磷负极功能添加剂的选择和机理研究提供了理论依据。主要研究内容和结论如下:(1)因黑磷结构的各向异性,本论文构建了两种手性的黑磷纳米管,分别是沿armchair方向和zigzag方向卷绕的(n,0)型和(0,n)型黑磷纳米管,系统地研究了曲率、嵌锂浓度和应力作用对黑磷纳米管储锂性能的影响。结果表明相比管径相近的(n,0)型黑磷纳米管(432.7 m Ah/g)和二维黑磷(164.4 m Ah/g),(0,n)型黑磷纳米管具有更高的理论比容量(649.0 m Ah/g)。通过分析不同嵌锂浓度和应力作用下黑磷纳米管的结构变化发现(0,n)型黑磷纳米管展现出较好的柔韧性。(n,0)型黑磷纳米管具有优异的导锂能力,锂沿轴向的迁移能垒仅为0.06 e V。除此之外,曲率影响黑磷纳米管的结构稳定性以及导锂性能:当黑磷纳米管的曲率小于0.1时,嵌锂后黑磷纳米管的稳定性较强;然而曲率越小,锂迁移能垒越大,越不利于锂的迁移。(2)研究了不同层数绿磷的储锂机制和储锂性能。研究发现单层绿磷有助于提高理论比容量,单层绿磷最大理论比容量是432.7 m Ah/g,双层和体相绿磷的最大理论比容量均是288.4 m Ah/g。其中体相绿磷的最大比容量高于体相黑磷(164.4 m Ah/g),表明绿磷是具有潜力的锂离子电池高比容量负极材料。同时,绿磷具有较好的导锂能力,锂在体相绿磷中沿zigzag方向的迁移能垒仅为0.14 e V,低于锂在石墨烯(0.28 e V)和硅烯(0.23 e V)中的迁移能垒。此外,研究还发现随着层数的增加,绿磷的平均嵌锂电位呈现增长趋势,说明可通过减少绿磷层厚度降低嵌锂电位。(3)选取在磷负极充放电电压范围内能稳定存在的含锂化合物Li F、LiO、LiS作为磷负极的功能添加剂,研究了它们对多磷化锂的吸附作用及对反应动力学的影响。多磷化锂在功能添加剂表面的吸附主要是依靠多磷化锂分子中的锂与材料表面阴离子间的化学吸附作用。研究发现功能添加剂对多磷化锂分子较强的化学吸附作用可有效抑制多磷化物的溶出。此外,功能添加剂对高嵌锂浓度LiP和低嵌锂浓度Li P和Li P的脱锂反应均具有催化作用,有利于加快脱锂反应动力学,降低反应过电势。其中,LiO因具有最强的对多磷化锂吸附作用和最低的LiP脱锂能垒,是性能最佳的磷负极功能添加剂。基于第一性原理模拟,本论文研究了磷负极材料的晶体结构、理论比容量、嵌锂电位、导锂能力等性能,以及磷负极添加剂的作用机理,探讨了晶体微观结构和本征性质与电极材料宏观性质之间的关系,为开发和设计高性能磷负极提供研究思路和理论依据。

关键词：锂离子电池黑磷纳米管绿磷化学吸附第一性原理模拟

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硅酸盐熔体和液态铁的两相模拟与核幔间的氧交换

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地球物理学报 2022年第11期65卷 4249-4258页

作者：张志刚刘锦张毅刚李娟中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地球与行星物理重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 北京高压科学研究中心北京100094 中国科学院深地科学卓越创新中心广州510640

地球早期经历了很多撞击事件,其中与地月系统形成相关的大撞击甚至造成深达核幔边界的全球规模的岩浆洋,在此过程中的核幔分异基本确定了地幔与地核的物质组成,也决定了地球随后的演化路径.我们采用基于量子力学理论的第一性原理方法和... 详细信息

地球早期经历了很多撞击事件,其中与地月系统形成相关的大撞击甚至造成深达核幔边界的全球规模的岩浆洋,在此过程中的核幔分异基本确定了地幔与地核的物质组成,也决定了地球随后的演化路径.我们采用基于量子力学理论的第一性原理方法和机器学习技术,实现了硅酸盐熔体和液态铁的超大体系两相分子动力学模拟,获得了核幔边界条件下的两相平衡数据,为超深岩浆洋中的核幔分异过程提供了重要约束.基于本研究模拟结果和现有的高温高压实验数据,我们还建立了能够准确预测核幔间元素交换的平衡模型,利用该模型深入探讨了核幔间的氧交换问题,并分析了其与地球生长、大撞击和岩浆洋事件、地球早期磁场等争议问题之间的关系.

关键词：核幔分异硅酸盐熔体铁合金第一性原理模拟深部氧机器学习

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高压下CaO3的结构与弹性的第一性原理研究

高压下CaO3的结构与弹性的第一性原理研究

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作者：王翰宇中国地震局地震预测研究所

学位级别：硕士

CaO3是一种新发现的可能存在于地幔转换带及下地幔的矿物,其很多基本物性尚不清晰,研究其物性有益于深入认识地幔转换带矿物组成及物性变化。本文通过第一性原理模拟计算,得到了CaO3在10-50 GPa压力范围下的基本结构、电性、弹性、波速... 详细信息

CaO3是一种新发现的可能存在于地幔转换带及下地幔的矿物,其很多基本物性尚不清晰,研究其物性有益于深入认识地幔转换带矿物组成及物性变化。本文通过第一性原理模拟计算,得到了CaO3在10-50 GPa压力范围下的基本结构、电性、弹性、波速和各向异性,并分析了CaO3对地幔转换带组成和结构可能产生的影响。晶格结构和声子频率计算结果显示该矿物在10-50 GPa的压力范围下可以稳定存在。研究成果主要如下:1.基于前人的计算结果和实验结论,重新构建了CaO3晶体模型,并计算了高压下的晶胞参数、声子谱和密度。发现了在压力小于10 GPa时CaO3晶体的晶体结构不稳定,可能会发生分解反应。在地幔转换带的压力下,CaO3晶体密度低于常见的地幔转换带矿物的密度;这意味着CaO3晶体对地幔过渡带下部地幔密度有可能起一定的调节作用。2.在10-50 GPa压力下,CaO3晶体的带隙为2.32-2.77,表明了其具有半导体性质;在态密度图中晶体d轨道有明显的波峰,表明其具有类过渡金属性质。同时Mulliken布居发现Ca-O键为离子键,O-O键为共价键,且O-O键的强度高于Ca-O键。CaO3晶体的密度、体积和剪切模量随压力的增加而增大;CaO3的压缩波速（Vp）和剪切波速（Vs）随压力的增加而增大,但CaO3晶体的波速小于原始地球参考模型（PREM）和常见的地幔转换带矿物的波速,这意味着CaO3晶体可能是低波速地幔过渡带的候选矿物。3.在15、25、35和50 GPa的压力条件下,剪切波和压缩波的各向异性分别为36.47%、26.41%、23.79%和18.96%以及18.37%,13.91%、12.75%和10.64%。这些各向异性数据远大于地幔转换带的主要组成部分的各向异性;因此,它可能是地幔转换带地震波速度各向异性的一个重要来源。这些研究结果为理解地幔转换区的物质组成和各向异性的来源提供了新的证据。

关键词：结构电学性质弹性和各向异性 CaO3 地幔转换带高压第一性原理模拟

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VNbTa多主元合金的腐蚀行为研究

VNbTa多主元合金的腐蚀行为研究

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作者：郭晨辉西安理工大学

学位级别：硕士

近年来,难熔系多主元合金(Refractory multi-principal element alloys,RMPEAs),是一种由大量难熔元素组成的新型金属合金。其组成元素通常会包含大量高熔点元素,这些元素也被称之为钝化元素(Passivated elements),如第四副族元素、第... 详细信息

近年来,难熔系多主元合金(Refractory multi-principal element alloys,RMPEAs),是一种由大量难熔元素组成的新型金属合金。其组成元素通常会包含大量高熔点元素,这些元素也被称之为钝化元素(Passivated elements),如第四副族元素、第五副族元素和第六副族元素(Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W)等,在钝化过程中起着重要作用,相比于FCC结构的多主元合金的组成元素,它们通常展现出更强的耐腐蚀性。难熔系多主元合金具有非常高的强度,同时其组成元素具有不俗的耐蚀性,在我们先前的研究中研发的VNbTa难熔多主元合金在室温和低温下具有高的强度和良好的塑性。但是对其耐蚀性并未有过评估,而这有可能是限制其在极端环境下应用的关键所在。因此,本研究对VNbTa难熔多主元合金进行电化学和中性盐雾腐蚀,通过XRD、SEM、DFT、EDS及XPS等分析测试手段对其耐蚀性以及腐蚀机理进行了研究。研究结果如下: 电化学测试结果表明,在3.5 wt.%NaCl溶液中VNbTa表现出强烈的腐蚀钝化行为,且与316L SS相比,VNbTa表现出更低的自腐蚀电流密度(Icorr)和更正的自腐蚀电位(Ecorr)、更宽的钝化区(Passive region)、更高的临界点蚀电位(Epit)和更低的点蚀电流(Ipit)。第一性原理计算结果表明,VNbTa表面对氧具有较高的功函数和吸附能,初始钝化膜的形成主要由表面Ta、V原子和O原子的键合决定。中性盐雾结果表明,与316L SS相比,VNbTa的表面腐蚀介质堆积缓慢,表面状态稳定,没有观察到大面积的破坏,表面的处腐蚀介质附着也较少,这表明了合金表面阻止NaCl腐蚀介质进入合金的能力强。而中性盐雾后的电化学测试结果表明,随着中性盐雾腐蚀时间的增加,自腐蚀电位(Ecorr)逐渐变负,自腐蚀电流密度(Icorr)并未有明显的上升;钝化区出现了亚稳态点蚀,但亚稳态点蚀密度不会急剧上升,钝化膜可以快速被修复。VNbTa的钝化膜容量随着中性盐雾腐蚀时间的延长而降低,并没未完全消失。表面仍然保持着宏观稳定状态,这也证明了VNbTa多主元合金具有优异的耐腐蚀性。

关键词： RMPEAs 腐蚀行为钝化膜第一性原理模拟

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