立方结构镁合金的力学与阻燃性质

论文摘要

镁合金作为最轻的结构材料,已应用到3C行业、交通运输业及航空航天业中。与铝合金等材料相比,镁合金的应用还是非常有限的,这主要是由两大原因造成的:镁合金力学性能差;镁合金易氧化腐蚀。研究表明:添加稀土元素不仅能够增强镁合金的力学性质,还可以改善镁合金的阻燃性质。然而,目前大部分关于稀土镁合金的工作仅限于实验研究,稀土元素在镁合金中的作用机理还不是很清楚。第一性原理已成为计算固体及表面性质的有效工具。论文主要分为两大部分:第一部分详细计算了几种典型立方结构镁合金的结构、电子和力学性质;第二部分计算了氧原子在Mg3Nd（001）面吸附的能量、吸附结构及电子态密度。论文主要包括以下内容:（1）采用第一性原理方法计算了Mg3Gd,Mg3Gd0.5Y0.5及Mg3Zn3Y2的结构、电子和力学性质。结果表明:添加Y元素能起到细化镁合金晶粒的作用（0.35%）;结合能、形成能和电子态密度的计算结果表明,Mg3Zn3Y2合金具有较强的结构稳定性,且归因于费米能级以下较多的价电子数目。计算得到的合金的弹性常数（C11, C12和C44）及弹性模量（剪切模量G,杨氏模量Y,泊松比ν和各向异性因子A）,在此基础之上进一步讨论了材料的力学性质。（2）采用第一性原理方法计算了Mg17Al12和Mg24Y5的结构、电子和力学性质。计算得到的晶格常数与实验值非常吻合。合金的结合能和形成能的计算结果表明:与Mg17Al12,合金相比,Mg24Y5合金具有较强的结构稳定性和合金化能力。首先计算得到了合金的弹性常数（C11, C12及C44）,然后计算得到合金的弹性模量（G, Y,ν及A）,最后对材料的韧性及延展性等力学性质进行了讨论。（3）采用密度泛函理论计算了最稳定的Mg3Nd（001）吸附面以及氧吸附后的结构和电子性质。结果表明,最稳定的吸附点为（2Nd+Mg）空位,且随着覆盖率的增大,吸附能大致呈下降趋势。在低覆盖率（0.125ML,0.25ML）情况下,Mg原子背离O原子的方向弛豫,而Nd原子向着O原子方向弛豫而最终成为O原子最近临原子。当覆盖率增大至1ML时,从结果分析可知O原子陷入金属表面。通过分析电子态密度可知:在低覆盖率下吸附体系的总态密度主要来源于O原子的2p轨道和Nd原子的5d轨道的杂交;在高覆盖率的情况下（0.5ML和1ML）,Mg原子的3s轨道和O原子的2p轨道开始杂交起来,我们推测这也可能是0.5ML下的吸附能比0.25ML的略高出0.014eV/atom的原因。通过以上的分析可以预测:在氧化的过程中,大量Nd原子向表面聚集而首先被氧化,进而形成富Nd氧化膜,从而展现良好的阻燃效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 镁合金的特点及应用
• 1.1.1 镁合金的特点
• 1.1.2 镁合金的应用
• 1.1.3 镁合金在应用中存在的主要问题
• 1.2 镁合金的研究现状及分类
• 1.2.1 镁合金的研究现状
• 1.2.2 镁合金的分类
• 1.3 稀土镁合金的研究进展
• 1.3.1 稀土在镁合金中的作用机理
• 1.3.2 稀土镁合金的研究进展
• 1.4 镁合金的理论研究现状
• 1.5 本文的研究内容、目的及意义
• 1.5.1 研究意义和目的
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 计算方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.2 交换关联能泛函近似
• 2.2.1 局域密度近似
• 2.2.2 广义梯度近似
• 2.3 波函数的处理
• 2.3.1 平面波基矢
• 2.3.2 赝势方法
• 2.4 结构处理
• 2.5 VASP软件包简介
• 3Gd, Mg₃Gd_0.5Y_0.5, Mg₃Zn₃Y₂的力学和电子性质'>第3章 Mg₃Gd, Mg₃Gd_0.5Y_0.5, Mg₃Zn₃Y₂的力学和电子性质
• 3.1 引言
• 3.2 计算参数、模型及方法
• 3.3 平衡结构性质
• 3.4 弹性
• 3.5 电子结构
• 3.6 小结
• 17Al₁₂, Mg₂₄Y₅的结构和力学特性'>第4章 Mg₁₇Al₁₂, Mg₂₄Y₅的结构和力学特性
• 4.1 引言
• 4.2 计算参数和模型
• 4.3 平衡结构性质
• 4.4 弹性
• 4.5 电子结构
• 4.6 小结
• 3Nd（001）面的氧吸附及阻燃性质'>第5章 Mg₃Nd（001）面的氧吸附及阻燃性质
• 5.1 引言
• 5.2 计算参数和模型
• 3Nd 及其清洁表面'>5.3 块体Mg₃Nd 及其清洁表面
• 5.4 单个氧原子吸附
• 5.4.1 吸附能
• 5.4.2 吸附结构
• 5.5 多个氧原子吸附
• 5.5.1 吸附能
• 5.5.2 吸附结构
• 5.6 电子结构
• 5.7 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介
• 攻读硕士学位期间发表的论文