超高温碳化物陶瓷结构稳定性和力学性质的第一性原理研究.pdf

摘要 摘要 本文采用密度泛函理论系统地研究了二元金属碳化物Ta Hf C 和Ta Zr C 1-x x 1-x x (0 ≤ x ≤ 1) 以及四元高熵金属碳化物(RM 1 RM2 RM3 RM4 )C (RM Ti、 0.25 0.25 0.25 0.25 Zr Hf V Nb Ta) 、 、 、 和 的物理性质，包括它们的结构稳定性，力学性质，熔点， 耐磨性以及电子结构。形成能和混合能的结果表明所研究的碳化物固溶体均具有 结构稳定性。力学性质表明二元金属碳化物Ta Hf C 和Ta Zr C (0 ≤ x ≤ 1) 以及 1-x x 1-x x (RM 1 RM2 RM3 RM4 )C (RM Ti Zr Hf V Nb 四元高熵金属碳化物 0.25 0.25 0.25 0.25 、 、 、 、 Ta) Ta Hf C Ta Zr C 和 都是脆性材料，并且具有力学稳定性。 1-x x 和 1-x x 固溶体的体积 Hf Zr Ta Hf C Ta Zr C 模量随 和 含量的增加而降低，而 1-x x 和 1-x x 固溶体的熔点，杨 氏模量，剪切模量，维氏硬度和断裂韧性会在掺杂量x 0.2 时出现峰值。添加 Hf Zr TaC 和 会增加 的耐磨性。我们试图通过改变构型熵和金属元素来影响高熵 (RM 1 RM2 RM3 RM4 )C (RM Ti Zr Hf V Nb Ta) 碳化物 0.25 0.25 0.25 0.25 、 、 、 、 和 的力学 性质。研究发现这些高熵碳化物陶瓷既具有超高的硬度又具有高的断裂韧性，同 15 时还具有非常高的熔点。其中在所研究的 种四元高熵碳化物固溶体中 TiHfVTaC4 具有非常高的模量，硬度，断裂韧性，熔点以及耐磨性。众所周知， 目前设计一种具有高硬度和高韧性的材料仍然是一个挑战。最后，我们基于第一 (Ω ΔH ) (δ ) 性原理计算和混合热力学，根据热力学参数 和 和结构参数 构建了三 mix a 维相图，可用于确定单相高熵金属碳化物形成的可能性。我们发现所研究的15 种高熵碳化物均满足Ω 1 和δa 6.6 %的形成标准。此标准为六种实验合成的四 元高熵碳化物提供了解释，并预测了九种新的四元高熵碳化物。这对设计和寻找 新的高熵超高温陶瓷材料具有非凡的意义。 关键词：第一性原理；相稳定；力学性质 I 目录