【摘 要】
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随着科学技术的不断发展,对材料的性能提出了更高的要求,传统的材料设计方法已经无法满足社会生产以及生活的需求,因而提出了高熵合金的设计理念。研究表明,高熵合金材料具有比传统合金材料更好的综合性能,具有广阔的应用前景。随着研究的推进,在高熵合金设计理念的启发下,高熵氧化物、高熵碳化物、高熵氮化物和高熵硼化物等高熵陶瓷也逐渐得到快速发展。其中,高熵碳化物因其特别优异的物理化学性能,引起了研究者的广泛关注
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随着科学技术的不断发展,对材料的性能提出了更高的要求,传统的材料设计方法已经无法满足社会生产以及生活的需求,因而提出了高熵合金的设计理念。研究表明,高熵合金材料具有比传统合金材料更好的综合性能,具有广阔的应用前景。随着研究的推进,在高熵合金设计理念的启发下,高熵氧化物、高熵碳化物、高熵氮化物和高熵硼化物等高熵陶瓷也逐渐得到快速发展。其中,高熵碳化物因其特别优异的物理化学性能,引起了研究者的广泛关注。尽管已有不少关于高熵碳化物的高硬度、高杨氏模量等优异力学性能的研究报道,但高温下的热学性质与力学性能的研究仍然很缺乏。因此,本论文将基于特殊准随机结构模型,结合从头计算法与自洽准谐近似方法,对(ZrTaNbTi)C的热力学性质进行了研究,并进一步研究了高熵陶瓷(ZrTaNbTi)C的电子结构以及力学性能的温度依赖,主要内容与结论如下:1、基于特殊准随机结构模型建立的(ZrTaNbTi)C固溶体的无序结构,运用密度泛函理论研究了(ZrTaNbTi)C的热力学稳定性与动力学稳定性。计算得到负的形成能和没有虚频的声子谱,表明了(ZrTaNbTi)C具有热力学稳定性与动力学稳定性。在此基础上,采用准谐近似、自洽准谐近似和准谐Debye-Grüneisen三种热力学计算模型,计算了Ti C和(ZrTaNbTi)C的热力学性质,并将三种模型所得的结果进行了比较。三种计算模型的对比研究表明,SC-QHA方法不仅具有QHA模型的高精度特点,还兼具准谐Debye-Grüneisen模型的高效率优势,是一种高效准确地研究高熵体系热力学性质的方法。这些结果对于改善高熵陶瓷的晶格动力学和热力学性质的研究以及新型超高温陶瓷的设计开发具有重要的现实指导意义。2、基于(ZrTaNbTi)C热力学性质的研究,进一步计算了高熵(ZrTaNbTi)C随温度变化的电子结构和力学性能。计算的电子态密度与巴德电荷表明,(ZrTaNbTi)C具有共价键,并伴随着离子特征。随着温度的升高,共价性降低,而离子性相对增加。(ZrTaNbTi)C基态与较高温度下的弹性常数满足波恩力学稳定性准则,表明了(ZrTaNbTi)C在本文研究温度范围内都具有力学稳定性。利用弹性常数导出的弹性参数泊松比、柯西压力和Pugh比B/G一致表明了(ZrTaNbTi)C的脆性特征。(ZrTaNbTi)C的弹性温度依赖性结果显示,力学性能随温度的增加呈下降趋势,并且泊松比、柯西压力和B/G都表明了其脆性向延展性转变的趋势。高温下(ZrTaNbTi)C的各向异性因子AZ和三维投影图表明,各向异性的温度依赖性较小,有利于降低开裂,提高使用的耐久性。
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