[发明专利]一种ZrBeO3超硬材料物性的预测方法有效
申请号: | 201910718778.9 | 申请日: | 2019-08-05 |
公开(公告)号: | CN110556170B | 公开(公告)日: | 2023-05-09 |
发明(设计)人: | 温新竹;纵艳芝;秦少平;彭玉颜 | 申请(专利权)人: | 仰恩大学 |
主分类号: | G16C20/30 | 分类号: | G16C20/30;G16C20/80;G16C60/00 |
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地址: | 362014 福建省泉*** | 国省代码: | 福建;35 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 zrbeo3 材料 物性 预测 方法 | ||
1.一种ZrBeO3超硬材料物性的预测方法,其步骤包括:
1)计算了不同晶格常数下结构的相对能量大小,绘制曲线,遵循能量最低原理,得出ZrBeO3结构模型,简立方晶格,每个布拉格晶胞有5个原子,空间群晶胞6个面心位置由O离子占据,O离子与体心Be离子形成BeO6八面体;Zr占据立方晶格的8个顶点位置,整个晶体可以看成是BeO6八面体堆积,Zr充当八面体的填隙原子;简立方晶格的晶格常数如表1;
表1:ZrBeO3模型晶格参数表
2)由Materials studio 2017软件中的CASTEP模块中计算弹性常数,选用密度泛函理论框架,广义梯度近似平面波(general gradient approximate,GGA)方法,交换关联函数选择Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)函数,用于计算的Zr和O原子的电子组态分别为:Be(1s2 2s2),Zr(4s2 4p6 4d2 5s2),O(2s2 2p4),平面波截止能Ecut为898.0eV,结构自洽优化收敛标准设置为:最大位移为5.0×10-4nm,最大内应力收敛标准为0.02Gpa,原子间的最大相互作用力为0.01eV/nm,结构的总体能量收敛小于5×10-6eV/atom:针对该模型计算不同压力下的弹性常数C11,C12,C44,它描述了晶体对外加应变的响应刚度,不同压力下弹性常数如表2中,结合玻恩-黄稳定性判据(1)式判断,所计算的ZrBeO3结构在力学方面均满足稳定性要求:
C110,C440,C11|C12|,C11+2C120 (1)
3)根据C11/C12/C44值计算了体积模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、BH/GH汇总如表2,计算公式如下
E=9BHGH/(3BH+GH) (4)
v=(3BH-2GH)/[2(3BH+GH)] (5)
表2不同压力下的弹性常数、体积模量、剪切模量、杨氏模量、泊松比、BH/GH
材料泊松比v表示固体材料最大拉伸强度与最大剪切强度之比,表征材料受挤压或拉伸时的收缩率或膨胀率,按照断裂行为的判据,低泊松比材料属于脆性材料,这一点在BH/GH得到验证,通常认为BH/GH>1.75代表材料呈韧性,BH/GH<1.75代表材料呈脆性,金刚石B/G=0.8,从表2中可以明显看出,若常压下ZrBeO3能稳定存在应为脆性材料,随着等静压力增大,材料逐渐向韧性转变;
4)ZrBeO3体弹性模量、剪切模量都比较大,在理论上,物质的硬度与体弹性模型密切相关,按一般经验理论初步判断它具有超硬性,基于第一性原理提出一种ZrBeO3超硬材料物性的预测方法基于共价轨道重叠布居数的固体本征硬度值计算方法,列出如(6)(7)(8)公式,上式中A为常量取740,Be-O/Zr-O代指Be-O/Zr-O化学键,P为布居值,Pμ是μ类型化学键的Mulliken重叠布居数,νbμ是键体积νb=V/n;V为原胞体积,n为原胞中所含该类键的数量,是μ类型化学键的体积,上标μ表示原胞中不同价键成分,dμ是键长,是单位体积内u键的个数,Ω是晶胞体积,Nμ为晶胞内μ键的总数;利用表1中重叠布居值计算,常压下ZrBeO3的硬度约为35GPa,与相比于SiC还大,说明该材料应该具备超硬性能:
Hv=((HBe-O)n1(HZr-O)n2)1/(n1+n2) (6)
5)计算了零压下声子谱,得出声学支的晶格振动格波存在较多的虚频率,说明晶格整体在低温零压下处于热动力学不稳定状态,为此模拟了50,100,150,200GPa下的声子能谱,发现随着压力的增大,声子软化模式逐渐减小,Q点的声子软化模式最后消失,等静压加到为200Gpa附近时声子虚频消失,表明动力学上稳定,初步认为ZrBeO3为高压高温生成或稳定相,对于热力学稳定但动力学不活泼特性物质一般能形成力学强度高的材料,实验室制备应该向加高压合成掺杂稳定方向进行;
6)计算了ZrBeO3能带结构,能带带隙宽度为1.918eV,就起禁带宽度来说,如果能制备出晶体材料的话,应具备很好的半导体材料挖掘潜质;
7)ZrBeO3电子态密度分布图,可以分析化学键成键状态以帮助得到如何更好的使化合物稳定存在;
8)材料的可见光偏紫外部分吸收系数,表明材料在可见光部分的吸收情况,计算表明400nm、640nm、780nm附近分别有不同程度的吸收,400nm附近吸收相对来说最强。
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