三元層狀碳化物復(fù)合材料的電子結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、層狀碳化物由于其優(yōu)異的性能而受到材料科學(xué)工作者的廣泛重視。由于其綜合了金屬和陶瓷的諸多優(yōu)良性能，像金屬一樣，常溫下有很好的導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能、相對(duì)較低的Vickers硬度、較高的彈性模量、剪切模量和良好的延展性。同時(shí)，像陶瓷一樣有高的屈服強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、良好的抗氧化性能，在高溫下能保持高強(qiáng)度。而更為重要的是，它不同于傳統(tǒng)碳化物陶瓷，可以像金屬一樣用傳統(tǒng)的加工方式進(jìn)行加工，并具有比二硫化鉬和石墨更低的超低摩擦系數(shù)和優(yōu)良的自潤滑性能。這些

2、優(yōu)異性能使其具有廣闊的應(yīng)用前景，并成為新材料研究中的重要對(duì)象。而層狀碳化物復(fù)合材料更是加強(qiáng)了層狀碳化物的一些性能，例如，Cu/Ti<,3>SiC<,2>復(fù)合材料的致密程度提高，而材料致密度的提高也就表現(xiàn)在材料的導(dǎo)電率、硬度和力學(xué)性能方面：而在Ti<,2>AlC、Ti<,3>AlC<,2>中引入TiB<,2>顆粒能明顯改善材料的硬度和強(qiáng)度，因此層狀碳化物復(fù)合材料有很廣泛的應(yīng)用前景。 本文用離散變分密度泛函(DFT-DVM)方法計(jì)算

3、了Ti<,3>SiC<,2>，Ti<,3>SiC<,2>/Al，Ti<,2>AlC、Ti<,3>AlC<,2>及摻Si系列，Ti-Al-C系/TiB<,2>，Ti<,2>AlN，討論了組成，電子結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵等與性能之間的關(guān)系。 Ti<,3>SiC<,2>摻Al以后，離子鍵會(huì)發(fā)生一點(diǎn)變化，但并不對(duì)其性能產(chǎn)生很大的影響。Al-Ti的共價(jià)鍵變得相對(duì)弱一些，而同一層的Al-Si的共價(jià)鍵明顯強(qiáng)于摻雜之前的Si-Si的共價(jià)鍵。因此，在制備T

4、i<,3>SiC<,2>時(shí)，加入適量的Al可促進(jìn)Ti<,3>SiC<,2>的生成。Ti<,3>SiC<,2>及摻雜系列的態(tài)密度表現(xiàn)出了形成混合型導(dǎo)體的趨勢(shì)，Ti<,3>SiC<,2>更易形成半導(dǎo)體。摻Al以后費(fèi)米能級(jí)附近的總態(tài)密度大于摻雜前，所以摻Al能夠增強(qiáng)導(dǎo)電性。 Ti<,2>AlC摻Si以后共價(jià)鍵和離子鍵鍵能都減弱，且摻Si后Si與Ti之間的相互作用明顯地比摻雜前Al和Ti之間的相互作用弱。Ti<,3>AlC<,2>的共價(jià)

5、鍵和離子鍵都比Ti<,2>AlC強(qiáng)。以上結(jié)論與Ti<,2>AlC的制備過程中，加入適量的Si，有利于Ti<,3>AlC<,2>相的生成而不是有利于Ti<,2>AlC的生成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。Ti<,2>AlC，Ti<,3>AlC<,2>及摻雜系列的態(tài)密度表現(xiàn)出了形成混合型導(dǎo)體(導(dǎo)體和半導(dǎo)體)的趨勢(shì)，且在Ti<,2>AlC中加入Si元素之后形成半導(dǎo)體的趨勢(shì)更為明顯。 在Ti-Al-C系/TiB<,2>復(fù)合陶瓷材料中，復(fù)合體系界面上兩相

6、之間的離子和共價(jià)相互作用較強(qiáng)。Ti<,3>AlC<,2>/TiB<,2>復(fù)合體系的界面相互作用及整體的離子鍵和共價(jià)鍵比Ti<,2>AlC/TiB<,2>強(qiáng)，這與Ti<,3>AlC<,2>/TiB<,2>的力學(xué)性能優(yōu)于Ti<,2>AlC/TiB<,2>的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。 Ti<,2>AlC和Ti<,2>AlN的離子鍵強(qiáng)度差異不大，Ti<,2>AlN共價(jià)鍵強(qiáng)度比Ti<,2>AlC中大，其差異大于離子鍵強(qiáng)度的比較。實(shí)驗(yàn)表明，Ti<,2>