Hf_(x)Ta_(1-x)C具有高熔化温度、高硬度、高强度,以及导电、导热性好等优异性能,是2000℃以上热防护领域极有潜力的候选材料,但其力学性质与熔化温度随组分变化规律尚不清晰。本研究基于特殊准随机结构(SQS)方法和第一性原理计算,从共价键强度、价电子浓度(VEC)的微观角度系统地探讨了Hf_(x)Ta_(1-x)C系固溶体力学性质随组分的变化机理。力学性质计算结果表明:5种组分(HfC、Hf0.75Ta0.25C、Hf0.5Ta0.5C、Hf0.25Ta0.75C与TaC)中,Hf0.25Ta0.75C固溶体具有最高的弹性模量和剪切模量,这主要归因于:(1)该组分具有最高的共价键强度;(2)来自C的p轨道和来自Hf或Ta的d轨道之间的特殊键合在VEC=8.75(Hf0.25Ta0.75C)附近被完全填充,它们强烈抑制形状变化。研究还使用基于从头算分子动力学(AIMD)的分子动力学Z方法计算了Hf_(x)Ta_(1-x)C系固溶体的熔化曲线。结果显示Hf_(x)Ta_(1-x)C系固溶体熔化温度反常增加的现象的确存在,且在Hf0.5Ta0.5C处熔化温度最高(4270 K),这主要归因于构型熵与共价键强度的协同作用。本研究结果为高熔化温度及高力学性能Hf_(x)Ta_(1-x)C系固溶体组分的实验选择及其耐高温涂层应用等提供了理论指导,也为其他过渡金属碳化物研究提供了参考。
吴玉豪;彭仁赐;程春玉;杨丽;周益春;
西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院,陕西省空天高电子轨道材料与防护技术重点实验室,西安710126
化学
Hf_(x)Ta_(1-x)C;第一性原理;力学性质;熔化温度
《无机材料学报》 2024 (007)
P.761-768,I0001,I0002 / 10
国家自然科学基金(11890684,12302125);中央高校基本科研业务费(20101237677,ZYTS23079)。
10.15541/jim20230518
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