基于CASTEP软件对非化学计量比TiC的结构研究.pdf

第 ３４卷第 ４期 ２０１ ５年 １ ２月 武 汉 轻 工 大 学 学 报 Ｊｏｕｒ ｎａ ｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｐｏｌ ｙｔ ｅｃｈｎｉ ｃ Ｕｎｉ ｖｅｒ ｓ ｉ ｔ ｙ Ｖｏ１ ．３４Ｎｏ．４ Ｄｅｃ．２０１５ 文章 编号 ： ２０９５－ ７３８６（２０１ ５）０４－ ００２４－ ０３ ＤＯＩ ： １ ０． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ．ｉ ｓ ｓ ｎ． ２ ０ ９ ５－ ７３ ８ ６． ２ ０１ ５． ４． ０ ０ ０７ 基于 ＣＡＳＴＥＰ软 件对 非化 学 计 量 比 Ｔｉ Ｃ的结 构 研 究 贺 战文 ‘， 张 琰 （Ｉ ．武汉 轻工大学 机械工程 学院 ， 湖北 武汉 ４３ ０ ０２ ３， ２． 武 昌工学 院 信 息工程学 院 ， 湖北 武汉 ４３ ０ ０ ６５） 摘 要 ：Ｔｉ Ｃ因其具 有众 多优异 的物 理及化 学性 能 而在很 多领域 引起 人们 的 广泛 关注 ，并获得 广泛应 用。然 而 ，由于其 熔点 高、烧 结 困难 ， 在 某种 程 度 上 又 限制 了它的 发展 应 用 。本 文是 基 于 密度 泛 函理论 ， 利 用 第一性原 理赝 势 方法结 合 Ｍａｔ ｅ ｒ ｉ ａｌ ｓＳｔ ｕｄｉ ｏ中的 ＣＡＳＴＥＰ计 算模 块 ， 先构 建 出正常 价 态 Ｔｉ Ｃ 晶胞模 型 并进行 结 构优 化运 算 ， 得 到 其 能量 与 态密度 的 相 关数 据 。再 构 建 非化 学计 量 比 Ｔｉ Ｃ晶胞模 型 ， 优 化 结构 并计 算 晶格 常数 ， 得 到其 能带 图和 态密度 图 。最终 对 比 分析 三种 不 同结构 的非化 学计量 比 Ｔｉ Ｃ的 能带 图和 态密度 图与 正 常价 态 Ｔｉ Ｃ的 态 密度 图和 能 带 图， 得 到 非化 学计量 比的存 在 对 Ｔｉ Ｃ性质 的 影响 ， 并与 文献报 道 的 实验 结果相 吻合 。 关键 词 ： 非化 学计 量 比 ； 碳化 钛 ； 机 械合 金化 ；第一性原 理 中图分 类号 ：ＴＧ ７３２ 文献标 识码 ：Ａ Ｓｔ ｕｄｙ ｏｆｔ ｈｅ ｓｔｒ ｕｃｔ ｕｒ ｅ ｏｆｔ ｈｅ ｎｏｎｓｔ ｏｉ ｃｈｉ ｏｍｅｔ ｒ ｉ ｃ ｏｆＴｉ Ｃ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃａｓｔ ｅｐ ｓｏｆ ｔ ｗａｒ ｅ ＨＥ Ｚｈａｎ— ｗｅｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙａｎ （１．Ｓｃ ｈｏ ｏｌｏｆＭｅ ｃｈａｎｉ ｃａ ｌＥｎｇ ｉ ｎｅ ｅｒ ｉｎｇ，ＷｕｈａｎＰｏｌ ｙｔ ｅ ｃｈｎｉ ｃＵｎｉ ｖｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｗｕｈａｎ４３００２３， Ｃｈｉ ｎａ， ２．Ｃｏｌ ｌ ｅｇｅｏ ｆＩ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏｎＳｃ ｉ ｅ ｎｃ ｅａ ｎｄＥｎｇ ｉ ｎｅ ｅｒ ｉｎｇ， Ｗｕｃ ｈａｎｇＩ ｎｓ ｔ ｉ ｔ ｕｔ ｅｏ ｆＴｅｃ ｈｎｏ ｌ ｏ ｇｙ，Ｗｕｈａ ｎ４３００６５， Ｃｈｉ ｎａ） Ａｂｓｔ ｒ ａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆｉ ｔ ｓ ｍａｎｙ ｅｘｃｅｌ ｌ ｅｎｔｐｈｙｓ ｉ ｃａｌａｎｄ ｃｈｅｍｉ ｃａｌｐｒｏｐｅｒ ｔ ｉ ｅｓＴｉ Ｃ ｃａｕｓ ｅｄ ｗｉ ｄｅｓｐｒ ｅａｄ ｃｏｎｃｅｒ ｎｉ ｎ ｍａｎｙ ａｒ ｅａｓ，ａｎｄ ｉ ｓｗｉ ｄｅｌ ｙ ａｖａｉ ｌ ａｂｌ ｅ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉ ｔ ｓｈｉ ｇｈ ｍｅｌ ｔ ｉ ｎｇ ｐｏｉ ｎｔ，ａｎｄ ｆ ｉｒｉ ｎｇｄｉ ｆｉ ｃｕｌ ｔ，ｔ ｏ ｓｏｍｅ ｅｘｔ ｅｎｔｌ ｉ ｍｉ ｔ ｅｄ ｉ ｔ ｓ ｄｅ— ｖｅｌ ｏｐｍｅｎｔａｎｄ ａｐｐｌ ｉ ｃａｔ ｉ ｏｎ．Ｒｅｌ ａｔ ｅｄ ｄａｔ ａ ｐｒ ｅｓｅｎｔ ｅｄ ｈｅｒｅｉ ｎｉ ｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｅｎｓｉ ｔ ｙｆ ｕｎｃｔ ｉ ｏｎａｌｔ ｈｅｏｒ ｙ，ａｎｄ ｔ ｈｅ ｕｓｅ ｏｆｆ ｉｒｓｔ — ｐｒ ｉｎｃｉ ｐｌ ｅｓ ｐｓｅｕｄｏｐｏｔ ｅｎｔｉ ｌ ｍｅｔ ａ ｈｏｄ ｃｏｍｂｉ ｎｅｓｔ ｈｅ Ｍａｔ ｅｒ ｉａｌ ｓ Ｓｔ ｕｄｉ ｏ ＣＡＳＴＥＰ ｃａ ｌｃｕｌ ａｔ ｉ ｏｎ ｍｏｄｕｌ ｅ，ｆ ｉｒ ｓｔｂｕｉ ｌ ｄ ａ ｎｏｒ — ｍａｌｖａ ｌｅｎｃｅ Ｔｉ Ｃ ｌ ａｔ ｔ ｉ ｃｅ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｔ ｒ ｕｃｔ ｕｒ ｅ ｏｐｔ ｉ ｍｉ ｚａｔ ｉ ｏｎ ｃａｌ ｃｕｌ ａｔ ｉ ｏｎ ｔ ｏ ｏｂｔ ａｉ ｎｔ ｈｅ ｅｎｅｒｇ ｙ ａｎｄ ｄｅｎｓ ｉ ｔ ｙ ｏｆｓｔ ａｔ ｅｓ ． Ｔｈｅｎ ｔ ｈｅ ｃｏｎｓｔ ｒｕｃｔ ｉ ｏｎ ｏｆｎｏｎ—ｓｔ ｏｉ ｃｈｉ ｏｍｅｔ ｒｉ ｃ Ｔｉ Ｃｌ ａｔ ｔ ｉ ｃｅ ｍｏｄｅｌ，ｏｐｔ ｉ ｍｉ ｚｅ ｔ ｈｅ ｓｔ ｒｕｃｔ ｕｒｅ ａｎｄ ｌ ａｔ ｔ ｉ ｃｅ ｃｏｎｓｔ ａｎｔ ｓｃａ ｌ ｃｕｌ ａ— ｔ ｉ ｏｎ ｔ ｏ ｏｂｔ ａｉ ｎｉ ｔ ｓｅｎｅｒｇ ｙ ｂａｎｄ ｄｉ ａｇｒ ａｍ ａｎｄ ｔ ｈｅ ｄｅｎｓｉ ｔ ｙ ｏｆｓｔ ａｔ ｅｓ．Ｃｏｍｐａｒ ｉ ｓｏｎ ｏｆｔ ｈｅ ｆ ｉｎａ ｌ ｎｏｎ—ｓｔ ｏｉ ｃｈｉ ｏｍｅｔ ｒ ｉ ｃｒ ａｔ ｉ ｏ ｏｆ ｔ ｈｒ ｅｅ ｄｉ ｆ ｆ ｅｒ ｅｎｔｓｔ ｕ ｃｔ ｒ ｕｒ ｅｓＴｉ Ｃ ｂａｎｄ ｄｉ ａｇｒａｍ ａｎｄ ｔ ｈｅ ｄｅｎｓｉ ｔ ｙ ｏｆ ｓ ｔ ａｔ ｅｓ ａｎｄ ｖａｌ ｅｎｃｅ Ｔｉ Ｃ ｎｏｒｍａ ｌ ｄｅｎｓｉ ｔ ｙ ｏｆｓｔ ａｔ ｅｓ ａｎｄ ｅｎｅｒｇ ｙ ｂａｎｄ ｄｉ ａｇ ｒ ａｍ ｃａｎ ｇｅｔｔ ｈｅ ｅｆ ｆ ｅｃｔｏｆｔ ｈｅｐｒｅｓ ｅｎｃｅｏｆｎｏｎ— －ｓ ｔ ｏｉ ｅｈｉ ｏｍｅｔ ｒｉ ｅｒ ａｔ ｉ ｏ ｏｎ Ｔｉ Ｃｉ ｎ ｎａｔ ｕｒ ｅ ａｎｄ ｗｉ ｔ ｈｔ ｈｅ ｒ ｅ— ｓｕｉ ｔ ｓｃｏｉ ｎｃｉ ｄｅ ｗｉ ｔ ｈｌ ｉ ｔ ｔ ｅｒ ａｔ ｕｒ ｅｒ ｅｐｏｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｎｏｎｓｔ ｏｉ ｃｈｉ ｏｍｅｔ ｒ ｉ ｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ；Ｔｉ Ｃｘ；ｍｅｃｈａｎｉ ｃａｌａ ｌｌ ｏｙｉ ｎｇ； ｔ ｈｅ ｆ ｉｒ ｓｔｐｒ ｉｎｃｉ ｐｌ ｅ 收稿 日期 ： ２０１５－ ０９－ ２８． 修回 日期： ２ ０１ ５— １ ０． １ ４． 作者简介 ： 贺 战 文 （１ ９７８－ ）， 男， 副 教 授 Ｅ— ｍａ ｉ ｌ： ３９３ ７９２１ ３７＠ ｑｑ． ｃ ｏｒ ｎ ３０ 武 汉 轻 工 大 学 学 报 ２ ０１ ５年 （上接 第 ２６页） 部 的能量 变小 ， 与此 同时 ， 空位 也会 让材 料 中产生 出 （３）随着 非 化 学计 量 比的 Ｔｉ Ｃｘ形 成 可 以 有效 键能 不强 的 Ｔｉ—Ｔｉ键 ， 而 这 种 脆 弱 的 金 属键 让 Ｔｉ Ｃ 的增加韧 性并 保持 强 度 硬 度不 降低 ，同 时也 可 以降 在保 持硬 度 和强度 的 同时增 加 了足够 的韧性 同时还 低 Ｔｉ Ｃ的烧 结温 度 。 可 以极 大 的降低 Ｔｉ Ｃ的烧 结温 度 。 参考 文献 ： ４ 结论 笔者利 用基 于密 度泛 函理论 的第 一性 原理 赝势 ［Ｉ］ 牛 明勤 ，范莹 莹．一 种 非化 学计 量钛 氧化 物 的 制备 和表 征 ［Ｊ］．同 济 大 学 学 报 （自然 科 学 版 ）； ２００３（ ０５）． 法， 通 过理论 计算 在结 合 文献 ［３］的实 验 数据 ， 对非 ［ ２］ Ｌｉ ｕ Ｌ Ｍ，Ｌｉ ｕ Ｈ，ＹｅＦ，ｅ ｔａ１ ．Ｍｉ ｃ ｒ ｏ ｓ ｔ ｕｃｔ ｕｒ ｅ 化 学计 量 比 Ｔｉ Ｃｘ的结 构性 能进行 研 究 ， 得 出如 下结 ａｎｄ Ｍ ｅｃｈａｎｉ ｃａｌ Ｐｒ ｏｐｅｒ ｔ ｉ ｅｓ ｏｆ ｔ ｈｅ Ｓｐａｒｋ Ｐｌ ａｓ ｍａ 论。 Ｓｉ ｎｔ ｅ ｒ ｅ ｄＴａ ２Ｃ Ｃｅｒ ａｍｉ ｃ ｓ［Ｊ］．Ｃｅｒ ａｍｉ ｃｓＩ ｎｔ ｅｒ ｎａ— （１）非化 学计量 比 Ｔｉ Ｃｘ在 理论 上 可 以形 成 ， 并 且在 常温 下能 保持稳 定 的状态 。 （２）Ｔｉ Ｃｘ的能量处 于 一５６ｅＶ一３６ｅＶ之间 ， 态 密度在 一２ｅ Ｖ的地方达到峰值。 ｔ ｉ ｏｎａｌ，２０１２ ，３９：４７０７ —４７１３． ［３］ 孙金 峰 ．ＭＡ制备 非 化 学计 量 比 Ｔｉ Ｃｘ和 Ｔｉ Ｎｘ 及其烧结特性 的研 究［Ｄ］ ．秦皇 岛： 燕 山大 学，２ ０ ０ ９．