高温陶瓷材料热输运和微观结构的理论研究
王皓
学位类型博士
导师怀平
2018
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
关键词碳化硅 氮化硼 分子动力学 第一性原理 热导率
摘要碳化硅和氮化硼陶瓷材料具有耐高温、热导率高和良好的化学稳定性等优点,在机械工业、核能以及航天航空各个领域应用广泛。在碳化硅材料的合成过程中和实际应用条件下,通常都会不可避免的出现空位、间隙子、位错和晶界等各种种类的缺陷,从而影响了材料力学性质和热学性质等物理性能。因此,研究缺陷对碳化硅物理性质的影响及其微观机制具有重要的意义。由于氮化硼与碳结构是等电子的,氮化硼可能与碳的同素异形体具有相对应的结构。近年来,随着更多新型碳的同素异形体的出现,与之相对应的具有优秀物理性质的新型氮化硼结构也得到了广泛的研究。本论文采用非平衡态分子动力学的方法对SiC中的晶界缺陷对其热输运性质的影响进行研究。研究表明晶界的存在对SiC中热流的传输起到阻碍作用,且不同的晶界结构对界面的热导也有不同的影响,由五元环和七元环构成的缺陷对比六元环对热流的阻碍更大。通过对不同长度和不同横截面积情形下体系的热导进行对比,发现碳化硅中晶界热导具有尺寸效应。我们还对Σ9晶界在高温下的界面热阻进行研究,发现当温度大于500K时,界面热阻将随着温度的升高不断增大。此结果主要是由于随着温度的升高,将有更多的低频声子被激发,随着声子与声子间的散射不断增强,界面处的热阻逐渐增加。本论文采用第一性原理密度计算方法,设计了新型的蜂巢型氮化硼材料HCBN。HCBN是一种具有P6m2对称性的六角结构,由互相之间成120°的氮化硼纳米带通过sp~2键链接而成,是一种具有低密度的多孔结构。首先,通过对声子谱、结合能等计算确定了其热动力学稳定性和动力学稳定性;其次,通过对弹性常数的计算又确定了HCBN的力学稳定性,并利用弹性常数的结果计算得到了不同尺寸的HCBN的体弹模量,是一种力学性能较好的结构;最后又对其电学性质进行研究,计算了HCBN的能带结构、PDOS、ELF,结果表明HCBN结构可以表现出本征金属性,并且确定了其金属性的来源为氮化硼纳米带节点处B1原子周围非局域的2p轨道上的电子。我们又对HCBN进行了XRD模拟,通过XRD谱的特征峰可以确定特殊的结构,为实验上分辨和确定新型氮化硼结构HCBN提供了帮助。我们的研究成功预测了一种可以稳定存在的新型蜂巢型氮化硼材料HCBN,其独特的金属性,为氮化硼材料在电子领域的使用提供了途径。本论文第一性原理计算预测并研究了两种新型的氮化硼化合物C12-BN和O16-BN。通过对C12-BN和O16-BN两种结构的能量进行计算,确定了它们的能量稳定性。两种结构的声子谱中都没有虚频的存在,证明了C12-BN和O16-BN的动力学稳定性。通过弹性常数的计算,又进一步确定了两种结构的力学稳定性。我们对C12-BN和O16-BN的力学性质进行了研究,结果表明C12-BN具有较高的体弹模量,且是一种超硬材料。O16-BN的力学性能较差,但是其低密度的多孔结构特性,使其可以稳定吸附Li原子,可能是一种潜在的储能材料。通过电子能带结构和态密度的计算,我们还对C12-BN和O16-BN的电学性质就行了研究,发现两种结构均为绝缘体,带隙分别为3.02 eV和3.54 eV。通过计算两种结构的XRD谱,得到了各自结构的特征峰。我们的工作找到了几种全新的稳定氮化硼结构,丰富了氮化硼家族体系,且为实验上寻找和确定新的优异性能的氮化硼材料提供指导。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28509
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
王皓. 高温陶瓷材料热输运和微观结构的理论研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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