Ag-Cu-Ni-Ce合金系二元稀土化合物的第一性原理計(jì)算研究.pdf

1、近些年,隨著電器設(shè)備的性能要求不斷提高,外型趨向小巧和復(fù)雜化,對(duì)于新型電接觸材料的研究也不斷深入。由我校與重慶川儀功能材料分公司共同研發(fā)的新型貴/廉復(fù)合電接觸材料復(fù)層用銀合金 AgCuNiRE,具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱和電接觸性能,機(jī)械性能好,耐磨、抗電蝕能力強(qiáng),已在實(shí)際生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究分析,稀土在改善合金組織和性能方面起到了主要作用,這與體系中的稀土化合物密切相關(guān)。但是對(duì)化合物的物性研究還不夠深入,影響其進(jìn)一步推廣應(yīng)用,而實(shí)驗(yàn)研

2、究則存在較大的困難,故本文利用第一性原理方法對(duì)上述銀合金中稀土化合物的基本物性進(jìn)行理論研究,探討化合物的電子結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能,這對(duì)于稀土元素在銀合金中的應(yīng)用具有良好的理論指導(dǎo)價(jià)值。
　　利用基于密度泛函理論的CASTEP模塊,本文分別對(duì)AgCuNiRE銀合金中的稀土元素Ce與基體元素Ag、合金元素Cu、Ni之間各自形成的金屬間化合物進(jìn)行了電子結(jié)構(gòu)(能帶圖和態(tài)密度)和力學(xué)性能(晶格常數(shù)、生成焓、結(jié)合能及彈性常數(shù))的計(jì)算。通過(guò)比較金屬間

3、化合物的生成焓和結(jié)合能大小,分析其形成能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;觀察各個(gè)化合物的電子結(jié)構(gòu),明確化合物中成鍵特點(diǎn)及軌道貢獻(xiàn)情況;對(duì)比彈性模量值,分析稀土化合物的力學(xué)性能,總結(jié)二元合金的基本物性,所得計(jì)算研究結(jié)果如下:
　　在Ag-Ce二元體系中,AgCe、Ag2Ce和Ag4Ce化合物的生成焓計(jì)算結(jié)果分別為:-0.372、-0.201和-0.771ev/atom,它們?cè)跓崃W(xué)上均可形成,且Ag4Ce相形成能力最強(qiáng);AgCe、Ag2Ce和Ag4

4、Ce的結(jié)合能計(jì)算值分別為:-4.761、-4.387和-4.793ev/atom, Ag4Ce穩(wěn)定性最好;態(tài)密度圖表明總態(tài)中費(fèi)米能級(jí)附近的成鍵電子主要由Ce的f和d軌道以及少量Ag的p軌道組成,驗(yàn)證了Ag4Ce相的穩(wěn)定性高于AgCe和Ag2Ce;AgCe和Ag4Ce的體模量分別為59.198和109.005,剪切模量為22.702和34.652,楊氏模量為60.385和221.559,泊松比為0.330和0.394,彈性各向異性系數(shù)為1

5、.936和1.388,結(jié)果分析Ag4Ce相的硬度和平均價(jià)鍵強(qiáng)度較高,AgCe塑性較好。
　　Cu-Ce二元體系中,CuCe、Cu2Ce、Cu4Ce、Cu5Ce和Cu6Ce化合物的生成焓分別為:0.056、-0.082、0.060、-0.097和-0.022ev/atom,表明CuCe和Cu4Ce在體系中不能輕易形成,而Cu5Ce形成能力最強(qiáng);CuCe、Cu2Ce、Cu4Ce、Cu5Ce和Cu6Ce的結(jié)合能值分別為:-4.886、-

6、5.006、-4.849、-5.001和-4.924ev/atom,其中Cu2Ce和Cu5Ce的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好;態(tài)密度圖表明,Cu-Ce二元體系中的價(jià)電子貢獻(xiàn)主要為 Ce的f軌道和d軌道以及少量的Cu的p軌道,Cu5Ce和Cu2Ce的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高,這與結(jié)合能的結(jié)果相同。
　　由Ni-Ce二元體系的計(jì)算結(jié)果可知,Ni2Ce、Ni3Ce、Ni7Ce2、Ni5Ce和 Ni3Ce7化合物的生成焓分別為:-3.032、-3.785

7、、-4.011、-4.576和-0.185ev/atom,Ni5Ce的形成能力最好;各個(gè)化合物的結(jié)合能計(jì)算值分別為:-7.291、-7.952、-4.67、-8.651和-4.85ev/atom,各金屬化合物的結(jié)構(gòu)都具穩(wěn)定性,Ni5Ce的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好;態(tài)密度圖表明,體系中的價(jià)電子貢獻(xiàn)主要為Ce的f軌道和d軌道以及少量的Cu的p軌道和d軌道,同樣驗(yàn)證了Ni5Ce具有最好的穩(wěn)定性;Ni2Ce和Ni5Ce的體模量分別為:146.042和21