金属间化合物及其复合材料氧化微观机理的第一原理研究

admin · 发表于 2024-2-16 13:58:07

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雅宝题库解析：
随着航空航天技术的飞速发展，金属间化合物结构材料由于具有耐高温、低密度、高温强度较高、耐磨损等优良特性而越来越受到人们的广泛重视。作为高温结构材料，其抗高温氧化性能是一个重要的指标。金属间化合物NiAl、FeAl、TiAl和金属间化合物与金属的复合材料Nb/Nb5Si3是典型的高温结构材料。NiAl、FeAl具有优异的高温抗氧化性能。TiAl和Nb/Nb5Si3具有较差的高温抗氧化性能，限制了它们作为高温结构材料的应用，其高温下抗氧化性能不足是亟待解决的关键题目之一。因此，从理论上搞清金属间化合物及其复合材料氧化的微观机制以及合金化效应对它们氧化的影响机理是十分必要的。这些都将对实验工作有一定的指导意义，也为高温结构材料的抗氧化设计提供理论基础。本文采用基于密度泛函理论的第一原理的方法系统的研究了金属间化合物及其双相复合材料氧化微观机理题目，探讨了典型合金化元素对金属间化合物及其双相复合材料的氧化的影响微观机理。取得的主要研究结果如下：研究了表面自偏析效应对TiAl(111)表面氧吸附的影响，解释了Nature Mater.杂志上报到的TiAl(111)表面氧化生成一层薄薄的Al2O3膜的实验现象。对于TiAl(111)表面，在富Al条件下容易在表面形成Al偏析。对于氧在纯净的TiAl(111)表面吸附，在氧的覆盖度从零增加到一个单层，氧原子都倾向于吸附在表面近邻多Ti的位置；当富Al时氧吸附会导致更多的Al偏析于表面，直到表面层变成纯Al层，进而会导致单一的Al2O3氧化物薄膜的生成。因此，这种理论上有趣的Al表面偏析效应可以导致选择性氧化Al元素，也就是实验上发现氧化TiAl(111)表面最初可以形成一层薄薄的Al2O3膜的原因。研究了Si掺杂合金化对TiAl(111)表面氧吸附的影响，揭示了合金元素Si提高TiAl抗氧化性的微观机理。当合金化元素Si掺入TiAl(111)表面时，我们发现Si容易偏析于TiAl(111)的表面的Ti原子位。与氧在纯净的TiAl(111)表面吸附的氧原子之间的相互作用是排斥作用相比，氧在Si合金化的TiAl(111)表面吸附的氧原子之间的相互作用变为吸引作用，从而促进Al2O3氧化物膜的形成。因此，合金元素Si在TiAl(111)表面的偏析效应促进Al2O3膜的形成，这解释了合金元素Si可以提高TiAl抗氧化性能的实验结果。利用第一原理和热力学相结合计算，揭示了金属间化合物氧化的统一规律，据此规律人们就可以判断和预测任意一种金属间化合物的氧化行为。我们构造了金属间化合物NiAl(100)、FeAl(100)、TiAl(111)和Nb5Si3(001)表面氧吸附的第一原理热力学相图，并且总结出了金属间化合物氧化的统一规律：在富氧的条件下，均一的单相热力学相图和劈裂的双相热力学相图分别对应着持久的完全的选择性氧化和非持久的部分的选择性氧化。更广义的，我们这些关于金属间化合物氧化的观念和方法可以推广到金属间化物表面的硫化和氮化等化学反应的研究。利用第一原理和热力学相结合计算，研究了Nb/Nb5Si3复合材料的氧化行为，揭示了Nb/Nb5Si3复合材料氧化的微观机理。复合材料Nb/Nb5Si3的氧化始于金属Nb(110)表面的优先选择性氧化，接下来总是金属间化合物Nb5Si3(001)表面的Nb元素发生氧化，这就成功地解释了实验上Nb/Nb5Si3复合材料的氧化产物几乎都是Nb2O5的现象。此外，氧原子倾向于占据在Nb(001)/Nb5Si3(001)界面的金属Nb相部分和金属Nb相有很大的氧溶解度，这就成功地解释了Nb/Nb5Si3复合材料的金属Nb相会发生内氧化现象。最后，我们提出了关于复合材料氧化的广义的热力学思路和框架，此观念和方法可以应用在两相甚至多相复合材料的氧化和氮化等化学反应研究。研究了Al掺杂合金化对Nb/Nb5Si3复合材料氧化的影响，揭示了合金元素Al提高Nb/Nb5Si3复合材料抗氧化性的微观机理。当合金化元素Al掺到Nb/Nb5Si3复合材料时，合金元素Al容易偏析于Nb/Nb5Si3复合材料的Nb(110)表面。复合材料Nb/Nb5Si3的Al偏析的Nb(110)-Al表面会优先氧化，而且氧吸附会进一步导致Al在Nb(110)表面的全偏析，进而导致发生Al的选择性氧化和Al2O3氧化物保护膜的生成。因此，这种理论上有趣的Al表面偏析效应可以导致选择性氧化Al元素，进而促进了Al2O3氧化物保护膜的生成，提高了Nb/Nb5Si3复合材料的抗氧化性能。

金属间化合物及其复合材料氧化微观机理的第一原理研究

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