ZrO2的力学和热力学性质及掺杂的第一性原理研究
随着计算机技术的飞速发展，计算材料科学在当今材料研究领域起着至关重要的作用。其中，以基于密度泛函理论的第一性原理计算最为典型，已被广泛应用于材料的化学、光学、力学和电学等性质的研究。它不仅可以从微观角度去解释相关的实验现象，还可以预测某些实验结果以推动实验的有效前进与发展。 氧化锆（ZrO2）陶瓷材料凭借着自身耐高温、耐腐蚀、质地轻、生物相容性好和力学性能优异等特点，成为一种应用非常广泛的陶瓷材料。此外，ZrO2晶体从四方相转变为单斜相的马氏体相变(t→m)过程使其广泛应用于陶瓷材料的增韧，最成功的就是用于氧化铝（Al2O3）陶瓷材料的增韧，制备出氧化铝氧化锆复合陶瓷(ZTA)材料。 本论文就是从研究ZrO2晶体自身的力学性质、热力学性质、二级相变历程以及四方相ZrO2的掺杂增韧来展开研究的。主要工作可分为三部分: 1、利用第一性原理计算方法结合VRH近似以及德拜模型(Debyemodel)研究了ZrO2晶体五种晶型:P21/c、 P42/nmc、Fm3m、Pbca和Pnma在基态下的结构参数、力学性质和热力学性质。结果显示，因为晶型不同，ZrO2的力学和热力学性质也互相存在差异。其中Fm(3)m-ZrO2体积模量最大，Pbca-ZrO2硬度最大，P42/nmc-ZrO2弹性模量最小;根据德拜温度的大小，五种晶体内部各原子彼此结合作用强弱的顺序:Fm(3)m＞Pbca＞P21/c＞Pnma＞P42/nmc。运用差分电荷密度图分析了导致不同晶型ZrO2力学和热力学性质不同的原因，即电荷的分布不同。 2、利用第一性原理计算方法结合VRH近似和德拜模型研究了高压下，ZrO2二级相变过程(P21/c→Pbca→Pnma)中体系的相态稳定性、力学性质和热力学性质随着压力增大的变化情况。二级相变压力分别是9.09GPa和12.68GPa，并且各相在相变发生前都处于力学和热力学稳定状态。随着压力的增大和相变的产生，各相的力学和热力学性质都呈现一定的变化趋势。 3、利用第一性原理计算方法结合VRH近似和虚晶近似(VCA)对比研究了过渡金属元素M(M=Y、Ce、Hf、Ti)掺杂t-ZrO2后MxZr(1-x)O2体系的热力学稳定性和力学性质，进而判断M的增韧效果。综合考虑掺杂体系的力学和热力学性质，认为Hf元素适宜微量掺杂t-ZrO2，Ce元素不适宜单掺杂t-ZrO2;Y元素较Ti更适宜掺杂t-ZrO2，且当掺杂量在3～6％mol时，利于体系的增韧效果的提升。 本论文的研究结果对ZrO2的物理性质及其增韧Al2O3陶瓷的研究具有理论指导意义。
氧化锆陶瓷;力学性质;热力学性质;元素掺杂增韧;第一性原理计算
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
陈建峰
2015
中文
TM286;TM201.4
82
2015-12-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）