微合金化元素对Fe/Al界面结合的第一性原理研究

微合金化元素对Fe/Al界面结合的第一性原理研究

论文摘要

Fe/Al界面的研究是当今钢铝复合材料研究中的重要课题之一,它关系到钢铝复合材料的加工、使用及性能,可以指导和控制其界面和材料性能,达到优化材料设计的目的,以最大限度地发挥出钢铝复合材料的长处,不论是对于理论研究还是工业应用都是非常重要的。本论文利用第一性原理中的DFT理论研究了Fe/Al界面的能量学和电子结构,讨论了替位型掺杂的元素Zn、Mn、Ni在Fe/Al界面处的作用。首先利用Materials Studio软件建立了Fe/Al界面模型及其掺杂微合金化元素Zn、Mn、Ni后的模型,并对模型进行了合理的结构优化。最后对优化以后的模型的界面结合能、布居数、电子态密度进行了计算。结果发现:微合金化元素Zn、Mn、Ni都会优先替换界面处的Fe原子,使得体系更稳定,界面结合能增加,跨界面原子间布居数增大,成键作用加强,显示了微合金化元素对界面的钉扎作用,更有利于界面的结合,从而加强了Al层与Fe基体的结合。结合强度由强到弱依次为:掺Zn>掺Mn>掺Ni,与实验结果基本一致。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 钢/铝复合材料研究的背景及意义
  • 1.2 材料设计与计算材料学
  • 1.2.1 材料设计的发展概况
  • 1.2.2 材料设计的主要途径
  • 1.2.3 计算材料学的研究范围
  • 1.2.4 材料设计的机遇与展望
  • 1.3 材料设计方法在钢铝复合材料应用概述
  • 1.4 本课题研究的目的、内容及意义
  • 第二章 理论方法
  • 2.1 多体问题
  • 2.1.1 薛定愕方程
  • 2.1.2 Born-Oppenheimer近似
  • 2.1.3 单电子近似
  • 2.2 密度泛函理论(Density Functional Theory)
  • 2.2.1 交换关联能的近似
  • 2.2.2 超晶格、平面波和k-点抽样
  • 2.2.3 赝势
  • 2.2.4 力和几何构型
  • 2.3 键合分析
  • 2.3.1 态密度
  • 2.3.2 Mulliken布居数分析
  • 2.4 常用计算工具简介
  • 2.5 第一原理方法的不足
  • 第三章 模型的建立与参数的设置
  • 3.1 界面模型
  • 3.1.1 Fe/Al界面结构模型
  • 3.1.2 掺杂微合金化元素后的Fe/Al界面结构模型
  • 3.2 周期性边界条件
  • 3.3 计算参数的设置
  • 3.3.1 精度设置
  • 3.3.2 赝势的设置
  • 3.3.3 截断能的设置
  • 3.3.4 K点的设置
  • 3.3.5 交换关联函数的设置
  • 3.4 结构优化任务的设置
  • 3.5 计算体系性质的设置
  • 3.6 查看计算结果的设置
  • 3.7 本章小结
  • 第四章 计算结果及分析
  • 4.1 无掺杂Fe/Al界面各项参数的计算
  • 4.1.1 Fe/Al界面结合能的计算
  • 4.1.2 跨界面原子间键长及电荷布居数的计算
  • 4.1.3 态密度的计算
  • 4.2 Zn掺杂对Fe/Al界面结合的影响研究
  • 4.2.1 Zn对Fe/Al界面结合能的影响
  • 4.2.2 Zn对Fe/Al界面原子间键长及电荷布居数的影响
  • 4.2.3 Zn对Fe/Al界面态密度的影响
  • 4.3 Mn掺杂对Fe/Al界面结合的影响研究
  • 4.3.1 Mn对Fe/Al界面结合能的影响
  • 4.3.2 Mn对Fe/Al界面原子间键长及电荷布居数的影响
  • 4.3.3 Mn对Fe/Al界面态密度的影响
  • 4.4 Ni掺杂对Fe/Al界面结合的影响研究
  • 4.4.1 Ni对Fe/Al界面结合能的影响
  • 4.4.2 Ni对Fe/Al界面原子间键长及电荷布居数的影响
  • 4.4.3 Ni对Fe/Al界面态密度的影响
  • 4.5 界面结合能及跨界面原子间键长及电荷布居数的比较分析
  • 4.6 态密度的比较分析
  • 4.7 本章小结
  • 第五章 钢铝复合板的弯曲和剥离实验
  • 5.1 实验准备
  • 5.1.1 实验材料
  • 5.1.2 实验设备
  • 5.2 实验过程
  • 5.2.1 表面处理
  • 5.2.2 轧制复合
  • 5.2.3 扩散退火
  • 5.2.4 试样编号
  • 5.3 试样力学性能的检测方法及讨论
  • 5.3.1 弯曲实验
  • 5.3.2 剥离强度实验
  • 5.6 本章小结
  • 第六章 本文结论及展望
  • 6.1 本文结论
  • 6.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • 相关论文文献

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