铈基稀土抛光粉氟化行为的第一性原理研究
稀土作为战略性资源重要性堪比石油，内蒙古包头市具有全球最大的白云鄂博轻稀土矿，该矿中约含50％的铈。作为铈元素的原料和加工基地，包头近年来出现了多家铈基稀土抛光粉企业，开辟了一个轻稀土新材料应用领域。由于CeO2表面活性高、极易团聚、颗粒形貌不规则，不能直接用于精密抛光。目前市售铈基抛光粉大多进行氟化处理，该工艺是向氧化铈前驱体中加入氟化剂，如氢氟酸、氟硅酸、氟化铵或氟化钠等进行氟化反应。实验表明，氟化铈基抛光粉的颗粒形貌由棒状或片状等变为（类）球形，团聚显著地减弱，提高了被抛光件表面光洁度。为研究铈基稀土抛光粉中氟行为的作用机理，本文采用第一性原理方法，研究了氟化氧化铈体相和表面的稳态结构，氟化氧化铈晶体对机械抛光性能的影响，氟对氧化铈抛光粉晶体形貌的影响，氧化铈氟化过程的控制因素。氟原子在化学抛光氧化硅玻璃中的作用。从电子结构角度分析了氟化对体相的宏观力学性能和表面的表面能影响的内在原因。给出铈基复合抛光粉的最佳氟含量，为开发高端铈基抛光粉提供理论依据。主要工作如下: 1、常压及外压下CeO2力学性能和电子结构分析。通过计算结合能与弹性常数，判断常压下CeO2力学稳定性;计算CeO2的体积模量、剪切模量、杨氏模量、维氏硬度，并与实验结果进行比较。分析外压低于30GPa时，CaF2结构的CeO2力学和动力学稳定性，弹性模量、硬度、韧性和各向异性随压力的变化。引入Hubbard U参量修正Ce4f层电子的强关联效应，分析CeO2态密度和电荷密度分布，了解外压下Ce离子和O离子电子态分布及成键的变化，深入理解力学性能改变原因。 2、氟化对CeO2力学性能和电子结构影响。考察氟掺杂三种可能位置的总能，计算掺杂形成能，确定氟改性CeO2的稳态结构。研究六种氟掺杂量时CeO2-xFx的弹性力学性能，分析弹性模量、硬度、韧性和各向异性随氟含量的变化，确定保持机械抛光性能的氟含量。计算四种氟掺杂体系CeO2-xFx的态密度和电荷密度分布，分析了F离子与Ce、O离子分波态密度的相互作用，阐明氟原子及其掺杂量对CeO2弹性力学性能的影响机理。研究了CeO1.75F0.25体系的弹性力学性能和电子结构在抛光外压力下的变化。 3、CeO2的氟化及对晶体形貌影响。构建并弛豫计算CeO2(111)表面、CeO2(100)和(110)重构表面的总能，比较三种表面的表面能，并与其他文献的计算值和实验值相比较。计算F单原子在三种表面的吸附势能面，确定稳定吸附构型，比较吸附F原子后三种表面的表面能，预测了抛光粉晶粒的最终形貌。研究不同F原子覆盖度下(111)和(100)面的表面能差对晶体形貌的影响。计算表层及次表层氧空位形成能，研究F原子从(100)表面迁入表层氧空位，并进一步迁入次表层氧空位的迁移激活能，确定F原子从表面向体内扩散的控制因素。研究CeO1.75F0.25体系的(111)和(100)表面的电子结构，确定氟对表面的Ce-O成键、总能和表面能的影响。 4、氟化铈基抛光粉的抛光反应过程。构建CeO2(111)和CeO1.75F0.25(100)两种磨削表面，计算SiO2晶粒在两种表面的吸附能，确定稳定的初态始构型。详细研究两种表面磨削SiO2晶粒的反应过程，分析Si原子成键、断键的演变情况，判断氟元素在化学抛光中的作用。
铈基稀土抛光粉;氟化行为;第一性原理;电子结构;力学性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
李梅
2017
中文
TB342
137
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）