第一性原理对Ni-P体系的热力学和力学性质研究

论文摘要

Ni-P合金镀层因其优秀的耐磨、耐腐蚀和防水性能而广泛应用在石油、化工、机械、电子、汽车等领域。研究Ni-P体系合金的热力学和力学性质有助于了解Ni-P镀层的耐磨等一系列性能。本工作采用第一性原理计算,基于应力-应变方法研究了Ni-P体系合金的力学性质。首先计算了Ni-P体系合金的弹性常数。利用这些计算的弹性常数,基于Vogit-Reuss-Hill近似,计算了Ni-P体系各个化合物的Vogit和Reuss约束（BV, BR, GV,GR）,体模量,剪切模量,杨氏模量以及泊松比。基于计算得到的泊松比,对Ni-P体系化合物的脆性和延展性进行了预测。Ni-P合金具备一定非晶形成能力。非晶态合金作为一种催化材料,在很多反应中都显示出优良的催化性能,尤其在催化不饱和化合物的加氢反应方面更具优势。Ni-P各个相的吉布斯自由能在评估Ni-P各个相的非晶形成能力方面是十分重要的。因此,需要建立Ni-P体系完备的热力学数据库,有助于了解Ni-P体系的非晶形成能力。此外,采用物态方程拟合,研究了Ni-P体系合金的重要基态性质,形成焓,体模量以及体模量的一阶导数。本工作计算得到的Ni-P化合物的形成焓与文献中报道的实验测定值以及理论计算值吻合较好。基于冻声子方法,本工作计算了Ni-P体系化合物的晶格振动性质,包括声子谱和声子态密度。通过考虑晶格振动,热电子激发等因素,在准谐近似下,采用第一性原理计算方法系统地研究Ni-P体系化合物在有限温度下的热力学性质,包括自由能,熵,焓,以及恒压热容。本工作计算得到的Ni-P化合物的基态以及有限温度下的热力学性质可以与Ni-P体系的相关相图数据和热力学数据相结合,然后采用CALPHAD方法,对Ni-P体系进行热力学评估,得到一套自洽的热力学参数。采用优化得到的热力学参数,结合一定的动力学数据,对Ni-P合金的非晶形成能力进行评估。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 计算材料学
• 1.2 第一性原理计算方法
• 1.2.1 第一性原理的理论基础
• 1.2.2 绝热近似
• 1.2.3 Hartree-Fock近似
• 1.2.5 交换关联函数
• 1.2.6 第一性原理计算方法的实现
• 1.2.7 VASP软件简介
• 1.3 相图热力学
• 1.3.1 相图
• 1.3.2 CALPHAD方法及其热力学模型
• 1.3.3 吉布斯自由能的描述
• 1.3.4 热力学计算软件
• 1.4 研究背景
• 1.5 本工作的主要目的及研究内容
• 第二章 Ni-P体系化合物热力学性质的第一性原理研究
• 2.1 引言
• 2.2 第一性原理计算方法以及热力学近似
• 2.3 Ni-P所有化合物的基态性质
• 2.3.1 Ni-P体系所有化合物的物态方程拟合
• 2.3.2 Ni-P体系所有化合物的形成焓
• 2.4 纯元素fcc-Ni有限温度下的热力学性质
• 2.5 Ni-P体系化合物有限温度下的热力学性质
• 2.5.1 Ni-P体系化合物的声子态密度
• 2.5.2 Ni-P体系化合物的有限温度下的赫姆霍兹自由能和熵
• 2.5.3 Ni-P体系化合物的恒压热容
• 2.5.4 Ni-P体系化合物有限温度下的焓值
• 2.6 小结
• 第三章 Ni-P体系化合物的力学性质的第一性原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 应力-应变方法及第一原理计算参数
• 3.2.1 应力-应变方法
• 3.2.2 第一性原理计算参数
• 3.3 晶体的弹性和力学性质
• 3.4 计算结果与讨论
• 3.5 小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间主要研究成果