论文部分内容阅读
近些年,随着电器设备的性能要求不断提高,外型趋向小巧和复杂化,对于新型电接触材料的研究也不断深入。由我校与重庆川仪功能材料分公司共同研发的新型贵/廉复合电接触材料复层用银合金AgCuNiRE,具有优良的导电导热和电接触性能,机械性能好,耐磨、抗电蚀能力强,已在实际生产中得到了应用。经实验研究分析,稀土在改善合金组织和性能方面起到了主要作用,这与体系中的稀土化合物密切相关。但是对化合物的物性研究还不够深入,影响其进一步推广应用,而实验研究则存在较大的困难,故本文利用第一性原理方法对上述银合金中稀土化合物的基本物性进行理论研究,探讨化合物的电子结构与力学性能,这对于稀土元素在银合金中的应用具有良好的理论指导价值。利用基于密度泛函理论的CASTEP模块,本文分别对AgCuNiRE银合金中的稀土元素Ce与基体元素Ag、合金元素Cu、Ni之间各自形成的金属间化合物进行了电子结构(能带图和态密度)和力学性能(晶格常数、生成焓、结合能及弹性常数)的计算。通过比较金属间化合物的生成焓和结合能大小,分析其形成能力和结构稳定性;观察各个化合物的电子结构,明确化合物中成键特点及轨道贡献情况;对比弹性模量值,分析稀土化合物的力学性能,总结二元合金的基本物性,所得计算研究结果如下:在Ag-Ce二元体系中,AgCe、Ag2Ce和Ag4Ce化合物的生成焓计算结果分别为:-0.372、-0.201和-0.771ev/atom,它们在热力学上均可形成,且Ag4Ce相形成能力最强;AgCe、Ag2Ce和Ag4Ce的结合能计算值分别为:-4.761、-4.387和-4.793ev/atom,Ag4Ce稳定性最好;态密度图表明总态中费米能级附近的成键电子主要由Ce的f和d轨道以及少量Ag的p轨道组成,验证了Ag4Ce相的稳定性高于AgCe和Ag2Ce;AgCe和Ag4Ce的体模量分别为59.198和109.005,剪切模量为22.702和34.652,杨氏模量为60.385和221.559,泊松比为0.330和0.394,弹性各向异性系数为1.936和1.388,结果分析Ag4Ce相的硬度和平均价键强度较高,AgCe塑性较好。Cu-Ce二元体系中,CuCe、Cu2Ce、Cu4Ce、Cu5Ce和Cu6Ce化合物的生成焓分别为:0.056、-0.082、0.060、-0.097和-0.022ev/atom,表明CuCe和Cu4Ce在体系中不能轻易形成,而Cu5Ce形成能力最强;CuCe、Cu2Ce、Cu4Ce、Cu5Ce和Cu6Ce的结合能值分别为:-4.886、-5.006、-4.849、-5.001和-4.924ev/atom,其中Cu2Ce和Cu5Ce的晶体结构稳定性较好;态密度图表明,Cu-Ce二元体系中的价电子贡献主要为Ce的f轨道和d轨道以及少量的Cu的p轨道,Cu5Ce和Cu2Ce的晶体结构稳定性较高,这与结合能的结果相同。由Ni-Ce二元体系的计算结果可知,Ni2Ce、Ni3Ce、Ni7Ce2、Ni5Ce和Ni3Ce7化合物的生成焓分别为:-3.032、-3.785、-4.011、-4.576和-0.185ev/atom,Ni5Ce的形成能力最好;各个化合物的结合能计算值分别为:-7.291、-7.952、-4.67、-8.651和-4.85ev/atom,各金属化合物的结构都具稳定性,Ni5Ce的结构稳定性最好;态密度图表明,体系中的价电子贡献主要为Ce的f轨道和d轨道以及少量的Cu的p轨道和d轨道,同样验证了Ni5Ce具有最好的稳定性;Ni2Ce和Ni5Ce的体模量分别为:146.042和218.798,剪切模量各为36.316和83.216,杨氏模量分别为100.609和221.559,泊松比各为0.385和0.331,弹性各向异性系数分别为1.34和1.30,Ni5Ce的稳定性、硬度和平均价键强度都高于Ni2Ce的结构,Ni2Ce的塑性高于Ni5Ce。