韧性稀土金属间化合物的制备、力学性能与电子结构研究

论文摘要

具有化学计量比的金属间化合物由于它们的化学、物理、电学和磁学性能优于普通金属，另外金属间化合物原子间结合力强、熔点高，高温下仍能保持较高的强度，同时具有良好的抗蠕变和抗氧化能力，是极具潜力的新型高温结构材料，所以受到人们的青睐，但是很少实际应用被实现，因为它们在室温下很脆。本论文研究的是一类完全有序，在室温下有很高韧性具有化学计量比的二元稀土金属间化合物（RM）。人们通常采用特殊条件，比如偏离化学计量比、亚稳无序结构或掺杂来使金属间化合物在室温下达到一定的塑性，而在这些独特的B2型稀土金属间化合物中没有采用上述任何一种方法。由于在未采取任何改善措施的情况下，RM就能在室温空气中表现出良好的韧性，因此RM不仅具有极大的应用前景，更为研究其它金属间化合物室温脆性的本质提供了新的契机。本论文研究了二元韧性稀土金属间化合物的制备、力学性能与电子结构。首先在制备过程中，利用冷坩埚感应悬浮熔炼法（CCLM）成功制备了具有化学计量比的二元韧性稀土金属间化合物，并对其进行材料表征。第二步，对所制得的试样进行压缩和拉伸力学性能测试，并对其断口进行了扫描分析，测试与分析结果表明RM在室温下具有明显的室温韧性，在相同拉伸速率下多晶DyCu的室温抗张伸展率比多晶YCu更好，多晶YCu的室温拉伸性能对拉伸速率比较敏感，而且具有反常行为。为了深入理解RM反常的室温韧性，利用基于密度泛函理论（DFT）的全势线性缀加平面波法（FP LAPW）研究了RM中具有代表性的YCu、DyCu、YAg的电子结构。对YCu和YAg采用GGA近似法，而对DyCu采用了LDA+U法，首先从总能量、形成能、电子态密度和能带结构分析出YCu的B27相在低温下比B2相更稳定，其次详细讨论了DyCu采用LDA+U法的计算结果，最后对YCu、DyCu、YAg的电子结构和弹性常数进行比较研究。论文创新性地从电子结构层面揭示了RM具有高室温韧性的机理，为其反常的室温韧性提供了可靠的依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 金属间化合物概述
• 1.2 金属间化合物的制备方法
• 1.2.1 机械合金化
• 1.2.2 熔炼法
• 1.2.3 自蔓延高温合成
• 1.2.4 粉末冶金
• 1.3 B2型金属间化合物的力学性能研究进展
• 1.4 稀土元素在金属间化合物中的作用
• 1.5 金属间化合物第一性原理研究现状
• 1.5.1 第一性原理计算
• 1.5.2 线性缀加平面波法
• 1.5.3 金属间化合物的第一性原理计算
• 1.6 选题背景及意义
• 第2章 实验研究内容及方法
• 2.1 韧性稀土金属间化合物的制备
• 2.1.1 实验材料准备
• 2.1.2 试样制备
• 2.2 RM的材料表征
• 2.3 力学性能测试与断口分析
• 2.4 RM电子结构的第一性原理计算
• 第3章 多晶YCu和DyCu的制备与力学性能研究
• 3.1 实验简介
• 3.2 多晶YCu和DyCu的制备与表征
• 3.3 多晶YCu和DyCu的力学性能研究
• 3.3.1 压缩性能
• 3.3.2 拉伸性能
• 3.4 试样断口扫描分析
• 3.5 RM室温塑性机理讨论
• 3.6 本章小结
• 第4章 YCu相稳定性和电子结构的第一性原理计算
• 4.1 实验简介与计算方法
• 4.2 计算结果与讨论
• 4.2.1 体积优化
• 4.2.2 形成能
• 4.2.3 电子态密度
• 4.2.4 能带结构
• 4.3 本章小结
• 第5章 DyCu电子结构的第一性原理计算
• 5.1 实验简介与计算方法
• 5.2 计算结果与讨论
• 5.2.1 体积优化
• 5.2.2 电荷密度
• 5.2.3 电子态密度
• 5.2.4 能带结构
• 5.3 本章小结
• 第6章 YCu、DyCu、YAg电子结构和弹性常数的比较研究
• 6.1 实验简介与计算方法
• 6.2 计算结果与讨论
• 6.2.1 体积优化
• 6.2.2 电子态密度
• 6.2.3 弹性常数
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 符号说明
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间主要研究成果、研究经历和所获奖励