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    1. MedeA案例三:在合金工業領域中的應用

      2014-12-04 17:16:18 來源:源資科技市場部

      新聞摘要:過渡金屬碳化物和氮化物具有極高的硬度、抗磨損摩擦性能、高熔點和良好的熱導性,因此被廣泛應用于耐火材料和研磨劑,同時,它們也是高強度低合金鋼中非常重要的結構成分。因此,了解這類材料的彈性和熱力學物化性質尤為重要。由于這類材料的硬度極高,實驗中很難獲得其彈性常數及楊氏模量等性質數據。然而,通過密度泛函理論研究能夠及其容易地計算出此類材料的各種機械性能,為更高維空間尺度和更長時間尺度模擬計算提供有效地輸入參數。

      巖石鹽過渡金屬碳化物和氮化物的彈性、熱力學物化性質第一性原理研究


        過渡金屬碳化物和氮化物具有極高的硬度、抗磨損摩擦性能、高熔點和良好的熱導性,因此被廣泛應用于耐火材料和研磨劑,同時,它們也是高強度低合金鋼中非常重要的結構成分。因此,了解這類材料的彈性和熱力學物化性質尤為重要。由于這類材料的硬度極高,實驗中很難獲得其彈性常數及楊氏模量等性質數據。然而,通過密度泛函理論研究能夠及其容易地計算出此類材料的各種機械性能,為更高維空間尺度和更長時間尺度模擬計算提供有效地輸入參數。作者對比了以往的計算文獻,通常采用兩種方法:CASTEP中的超軟贋勢(USPP)和VASP中的綴加投影波(PAW)贗勢。作者提出VASP中的PAW贋勢考慮的原子核更小,波函數基組更大,因此計算結果更準確。同時,在VASP最新版本中,引入了更適合處理離子固體材料的GGA-PBEsol泛函。
        本案例中,作者采用MedeA平臺系統地考察了金屬碳化物和氮化物的晶格參數、形成能、結合能、彈性性質、體模量、剪切能、聲子性質等多種力學和熱力學物化性質。其中,作者參考了MedeA中的ICSD和Pearson數據庫,對晶格參數進行優化(MedeA中的VASP模塊可以實現)。然后,構建超晶胞模型(MedeA中的Supercell Builder可以實現),計算超晶胞體系的形成能、結合能和剪切能(MedeA中的VASP模塊可以實現);計算體系的彈性常數和體模量(MedeA中的Mechanical Thermal(MT)模塊可以實現);計算體系的熱容Cp、Cv對溫度的函數(MedeA中的Phonon模塊可以實現)。具體結果如下:
             1. 幾何性質:
        作者以ICSD數據庫中的結構為初始結構,采用MedeA-VASP模塊進行優化,與Pearson 數據庫(PCD)做對比(表1)。Pearson數據庫中:第一列為最低值,第二列為最高值。

       
       表1  碳化物與氮化物晶格常數的實驗值與計算值
       

        2. 形成能
        表2為MedeA-VASP模塊計算各類金屬碳化物和氮化物的形成能數據。結果表明除了TiN和TiC,其他體系的計算值與實驗值均相差30 kJ mol -1左右,這可能來自溫度和實驗儀器的誤差。MoC的形成能為正,說明在0 K下,MoC的熱力學性質極不穩定。

       表2  碳化物與氮化物形成能的計算值與實驗值
       

        3. 結合能
        表3與表4為MedeA-VASP模塊計算不同純物質及各種碳化物和氮化物的結合能數據。結合能即為物質固相轉變為氣相所需熱量。表3中,除了Ti和Mo元素,其他的計算值都與實驗值十分接近。表4中顯示了不同碳化物和氮化物的結合能和熔點。結果顯示,兩者呈正比關系,即高結合能對應了高熔點。


      表3  純物質結合能的計算值與實驗值      表4  碳化物與氮化物結合能的計算值(PBE)


       
             4. 剪切能
        圖1為剪切能計算的板層說明圖示。此文獻中,剪切能的計算相對于(111)或(100)晶面,采用MedeA-VASP模塊。

       


        圖1  剪切能計算的板層模型說明


        表5給出了各個體系剪切能的大小,并且把所有板層結構都構造成(111)表面。圖2表示了各個體系剪切能與熔點的對應關系。

       


        表5  金屬碳化物和氮化物相對于(111)表面的剪切能(PBEsol)


         
             5. 彈性性質
        表6為采用PBEsol泛函,結合MedeA-VASP和MedeA-MT模塊計算所有體系的彈性性質數據;表7為各材料在0K下的德拜溫度(Debye temperature)。表6中計算和實驗值的誤差均小于10%,主要來自于雜質、空穴等其他缺陷結構和溫度。

       


        表6  碳化物與氮化物彈性性質的實驗值與計算值(PBEsol)


        表7  0 K下碳化物與氮化物的Debye溫度


        
             6. 體模量
        圖2為不同壓力下各晶胞體積和體模量的變化趨勢,由MedeA-VASP和MedeA-MT模塊計算。對于各種材料,隨著壓強增大,晶胞體積均相應減小,體模量增大。其中,通過MedeA-MT模塊的計算,TiC和VC兩個體系的實驗值與計算值完全吻合。


        圖2  壓強與晶胞體積和體模量的對應關系


             7.  定容熱容計算
        圖3(a)和(b)分別給出了碳化物和氮化物體系的熱容(Cv)隨溫度變化的曲線,由MedeA-VASP和MedeA-Phonon模塊計算??梢钥闯?,高溫下各種體系的熱容值都接近49 J/mol?K。表8則對比了298 K和1000 K下的熱容數據與之前報道過的數據。

       


        圖3  定容熱容Cv與溫度的對應關系


      表8  熱容的計算值與實驗值的對比


       


        在本案例中,作者通過MedeA平臺成功地計算了巖石鹽型過渡金屬碳化物和氮化物的彈性性質(如彈性常數,楊氏模量,體模量,剪切模量,(111)表面的剪切能)、熱化學性質(如形成能,結合能)、熱物理學性質(比如p-v關系、體模量一階導數,德拜溫度)以及恒體積熱熔這些眾多性質。其計算結果與實驗值相比有很好匹配度,可見材料性質預測軟件MedeA 在力學及理化性質預測中是一款十分實用且功能強大的科研工具,能夠理性的設計實驗,從而大大降低實驗的投入。


         
         
         
         
         
      參考文獻:
      G. Sai Gautam, K.C. Hari Kumar. Elastic, thermochemical and thermophysical properties of rock salt-type transition metal carbides and nitrides: A first principles study. Journal of Alloys and Compounds. 2014. 587: 380-386


      使用MedeA模塊:
            Welcome to MedeA Bundle 
            MedeA-ICSD
            MedeA-Pearson
            MedeA-VASP
            MedeA-MT
            MedeA-Phonon

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