外壓下TiN、Ti-Si-N結(jié)構(gòu)和性能的第一性原理研究.pdf

1、納米材料對(duì)于電子、信息、新型陶瓷、生物、化工、醫(yī)藥、機(jī)械、交通、能源、國(guó)防等領(lǐng)域有著重要意義和廣泛的應(yīng)用前景。TiN及Ti-Si-N作為硬質(zhì)薄膜涂層材料的一類(lèi)代表，以其比較高的硬度、較好的耐磨性、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性吸引了廣泛的關(guān)注。在常溫零壓下，很多實(shí)驗(yàn)和理論工作已經(jīng)對(duì)TiN及Ti-Si-N薄膜硬度及晶格動(dòng)力學(xué)等方面開(kāi)展了研究，但是對(duì)外加壓力下的性質(zhì)研究的報(bào)道卻相對(duì)較少。而實(shí)際應(yīng)用中，TiN及Ti-Si-N作為一種表面強(qiáng)化涂層，

2、被廣泛用做耐磨材料和切削刀具。工作過(guò)程中，瞬時(shí)可能承受很大的應(yīng)力，所以對(duì)TiN及Ti-Si-N在高壓環(huán)境下的相穩(wěn)定性和性能的研究具有實(shí)際的意義。本課題的研究可分兩部分：一是對(duì)外壓下TiN的研究；一是對(duì)外壓下Ti-Si-N的研究。
　　本課題采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，利用VASP和Phonopy軟件包進(jìn)行了能量、彈性性質(zhì)及聲子譜方面的相關(guān)計(jì)算，并分析了不同壓力下TiN的穩(wěn)定性及相變規(guī)律。通過(guò)研究TiN的三種構(gòu)型：NaCl

3、結(jié)構(gòu)（B1）、CsCl結(jié)構(gòu)（B2）及閃鋅礦結(jié)構(gòu)（B3），分析能量-體積關(guān)系、焓-壓關(guān)系，得出：TiN在347GPa時(shí)會(huì)發(fā)生從NaCl到CsCl的結(jié)構(gòu)相變，在-17.5GPa時(shí)會(huì)發(fā)生從NaCl到閃鋅礦結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相變。并對(duì)其在不同壓力下的彈性性質(zhì)和聲子色散關(guān)系進(jìn)行了研究，得到了相同的結(jié)論。應(yīng)用準(zhǔn)諧近似以及準(zhǔn)諧德拜模型計(jì)算了NaCl結(jié)構(gòu)TiN的吉布斯自由能、振動(dòng)內(nèi)能、焓、定容摩爾熱容、定壓摩爾熱容，熱膨脹系數(shù)，德拜溫度等的溫度變化曲線(xiàn)，對(duì)Ti

4、N在不同壓力、不同溫度下的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了探討。
　　采用相同的方法探討了Ti-Si-N的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，找到其在常壓下的穩(wěn)定構(gòu)型，從能量、彈性性質(zhì)及聲子譜穩(wěn)定性方面進(jìn)行了相關(guān)研究，找到了Ti-Si-N可能的相變壓力范圍，對(duì)其在不同壓力下的穩(wěn)定性及相變規(guī)律進(jìn)行了分析，并對(duì)不同壓力的熱力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)：在較高溫度下，Ti-Si-N的熱膨脹系數(shù)隨著壓力增加而減小；其熱膨脹系數(shù)比TiN大，說(shuō)明在制備Ti-Si-N時(shí)要選擇合理的基底、