铁基合金耐腐蚀性能的理论探讨

论文摘要

随着凝聚态物理学、量子化学等相关基础学科的深入发展,以及计算机计算能力的空前提高,使得从原子、分子水平上进行材料设计,成为现代先进材料合成技术的重要发展方向。而在新材料的微观结构设计的研究中,团簇的计算设计扮演了十分重要的角色。本文针对金属电化学腐蚀的本质,应用密度泛函理论方法,对一系列铁铝、铁硅和铁镍的铁基合金团簇,按照“由小到大逐级生长”的方法,从理论上设计和预测了它们的几何和电子结构,寻找了这些团簇的基本结构单元、成键规则和生长机制。主要目的是可望通过理论计算获取一组量化参数并结合实验数据,从原子、分子水平上探讨铁基合金耐腐蚀性能,为今后设计最优耐腐蚀材料提供理论指导。主要研究内容及成果如下:1.应用密度泛函的BPW91方法结合Lanl2dz基组研究了Fen（n≤13）团簇的结构和电子性质,该方法被证实能正确反映团簇的基本信息,节约了计算时间,而且获得的平均结合能较其他密度泛函方法更为接近实验值。团簇向着高对称性的方向生长。二阶能量差分表明了n=6和n=8为铁团簇的稳定幻数,且Fen（n≥8）团簇倾向包含Fe6和Fe8簇的方向解离,进一步暗示Fe6和Fe8簇具有相对高的稳定性。Fe8在238 cm-1处有红外强峰出现,恰好对应Fe6团簇的八面体伸缩振动峰值,暗示八面体结构的特殊稳定性。且八面体作为BCC晶格结构的一部分,包含了晶胞的6个面原子,充分说明Fe6簇能很好的体现金属铁的特征,为Al、Si、Ni原子掺杂铁团簇提供了理论模型。2.应用BPW91/Lanl2dz/6-31G（d）方法深入研究了Al原子掺杂Fen（n≤8）团簇的基态结构和电子性质,并获得了较为准确的几何信息。为消除基组误差,在Lanl2dz/6-31G（d）混合基组优化结构的基础上,应用全电子基组6-311++G（2d, 2p）进行单点计算,获得的能量与该基组全优化结果一致。计算结果发现一个Al原子很难掺杂到铁团簇结构的中间,倾向于分布在铁簇的表面,并且它的掺杂也难以改变铁簇的主体结构。进一步,本文对Fen-1Al团簇进行了稳定性分析,其中,二阶能量差分、HOMO-LUMO能隙以及垂直电离势的分析结果都一致表明Fe3Al具有特殊的稳定性。另一方面,本文以Fe6簇为基体,逐个加入Al原子来模拟不同Al含量掺杂的铁簇的几何和电子结构,计算结果发现随杂质Al原子数目的增多,FemAln（m+n=6）团簇的最稳定构型由八面体结构变为双三角锥戴帽,向着对称性低的方向生长。本文还发现Fe5Al,Fe4Al2以及Fe3Al3簇具有相对高的HOMO-LUMO能隙和较低的HOMO能,揭示这几种团簇具有较高的稳定性,相应的Al的原子百分含量恰好处于Fe3Al和FeAl金属间化合物的Al含量范围内,说明应用密度泛函理论方法获得的量化参数如HOMO能以及HOMO-LUMO能隙可以从原子、分子角度反映Fe-Al合金的耐腐蚀性能。此外,为了验证我们的理论结果,本文从实验角度上探讨了Fe3Al金属间化合物的耐海水腐蚀性能。应用失重法测定了Fe3Al在海水环境下的年腐蚀速率,并与碳钢做了比较,发现Fe3Al较碳钢更耐海水腐蚀。通过对二者腐蚀后表面形貌分析以及开路电位的测定结果也都显示出Fe3Al具有优异的抗海水腐蚀性能,很好地支持了我们的理论结果。3.应用与铁铝合金簇相同的计算步骤,详细研究了Si掺杂铁团簇的几何和电子结构。与纯铁团簇相比,掺杂Si可以增强团簇的稳定性。此外,计算结果发现Fe3Si为铁硅合金团簇的幻数簇,具有相当高的稳定性。且Si和Fe原子组成比例为1:3时的原子百分含量恰好对应质量百分比14.36%Si,此含量的Fe-Si合金具有最优耐腐蚀性能,可见Fe3Si簇很好的体现出类块体结构特征,进一步说明所有表征Fe-Si团簇稳定性的量化参数都可以用来表征相应块体结构的耐腐蚀性能。4. Ni作为不锈钢的主要合金成分,极大的提高了其抗腐蚀性能。基于此,本文应用密度泛函方法研究了铁镍合金簇的基态结构和成键机制。经过稳定性分析发现,Fe3Ni、Fe4Ni、Fe5Ni和Fe6Ni这几种小团簇均具有较高的稳定性,且Fe与Ni的原子组成比例与具有优异抗腐蚀性能的FeNi合金中的Ni的掺杂含量一致。在这几种团簇中,Fe5Ni稳定性最高,对应于Ni的质量百分含量为16.7%,在此,我们大胆预言16.7%Ni为Fe-Ni合金抗腐蚀性能的最佳掺杂含量,期待实验的进一步验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1 纳米团簇研究现状
• 1.1 团簇及其研究意义
• 1.2 团簇的制备
• 1.3 团簇的性质
• 1.4 团簇的分类
• 2 本研究的意义和主要内容
• 2.1 课题提出
• 2.2 研究内容
• 2.3 研究目的及意义
• 第二章 理论与计算方法
• 1 从头计算（ab initio）方法
• 2 密度泛函理论
• 2.1 Thomas-Fermi 模型
• 2.2 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.3 Kohn-Sham 方程
• 2.4 交换相关泛函
• 2.5 密度泛函计算软件
• 2.6 基组的选择
• 2.7 Gaussian 03 程序的内存基组及含义
• 第三章 铁团簇电子结构、稳定性及磁性能研究
• 1 计算方法
• 2 结果与讨论
• 2.1 Fen（n=2-8）的平衡结构和红外光谱
• 2.2 Fen（n=9-13）的平衡结构和红外光谱
• 2.3 Fen（n = 2-13）团簇的稳定性分析
• 2.4 电荷分布和磁性分析
• 3 本章小结
• 第四章 Fe-Al 金属间化合物抗腐蚀性能的实验及理论研究
• 1 前言
• 1.1 Fe-Al 金属间化合物的基本性能和结构特点
• 1.2 Fe-Al 金属间化合物的抗腐蚀性能研究现状
• 2 Fe-Al 金属间化合物抗腐蚀性能的密度泛函研究
• 2.1 Fen-1Al （n=2-8） 团簇的稳定结构和电子性质
• 2.2 FemAln （n=0-5, m+n=6）团簇的电子结构和磁性
• 2.3 FemAln （m+n=2-4）团簇的电子结构和磁性
• 3Al 金属间化合物抗海水腐蚀的实验研究'>3 Fe₃Al 金属间化合物抗海水腐蚀的实验研究
• 3.1 实验部分
• 3.2 结果与讨论
• 4 本章小结
• 第五章 Si 原子掺杂纯铁团簇的密度泛函理论研究
• N-1Si团簇的稳定性和电子结构'>1 Fe_N-1Si团簇的稳定性和电子结构
• 1.1 计算细节
• 1.2 结果与讨论
• mSi_n（n=0-5, m+n=6）团簇的稳定性和电子结构'>2. Fe_mSi_n（n=0-5, m+n=6）团簇的稳定性和电子结构
• 2.1 平衡结构
• 2.2 稳定性分析
• 2.3 电子结构
• 3 本章小结
• 第六章 Ni 掺杂铁团簇的密度泛函理论研究
• n-1Ni 团簇的稳定性和电子结构'>1 Fe_n-1Ni 团簇的稳定性和电子结构
• 1.1 计算细节
• 1.2 结果与讨论
• mNi_n（n=0-5, m+n=6）团簇的几何结构和稳定性'>2 Fe_mNi_n（n=0-5, m+n=6）团簇的几何结构和稳定性
• 2.1 计算细节
• 2.2 结果与讨论
• 3 本章小结
• 第七章总结与展望
• 1 总结
• 2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文