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超硬材料 WB 4 硬度机制的第一性原理研究

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超硬材料 WB 4 硬度机制的第一性原理研究. 李印威,王梅,马琰铭* 吉林大学超硬材料国家重点实验室 2009-07-14. 主要内容. 研究意义 计算方法 结果与讨论 结论. 研磨 , 切割 , 磨具. 一、研究意义. 硬度大. 超硬材料: H v ≥40 GPa. 热导率高. 折射率高. 化学 稳定性强. 两大类. 潜在的超硬材料. 轻元素 (B C N O) 金刚石 (C) 立方氮化硼 (c-BN) BC 2 N. 过渡金属 - 轻元素 ?. 过渡金属 - 轻元素.

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超硬材料WB4硬度机制的第一性原理研究

李印威,王梅,马琰铭*

吉林大学超硬材料国家重点实验室2009-07-14

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主要内容
  • 研究意义
  • 计算方法
  • 结果与讨论
  • 结论
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研磨, 切割, 磨具

一、研究意义

硬度大

超硬材料: Hv≥40GPa

热导率高

折射率高

化学

稳定性强

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两大类

潜在的超硬材料

  • 轻元素(B C N O)
  • 金刚石(C)
  • 立方氮化硼(c-BN)
  • BC2N

过渡金属-轻元素

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过渡金属-轻元素

WB4是目前发现的“过渡金属-轻元素”最硬的材料

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主要解决三大关键性问题

1: 是什么导致了WB4的超硬特性

2: WB4与之前合成的非超硬材料ReB2、 PtN2、OsB2等不同之处

3: “过渡金属-轻元素”类材料超硬的必要条件

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二、计算方法
  • 基于密度泛函理论的第一性原理方法
  • VASP软件包-赝势投影缀加平面波方法
  • Wien2K软件包-全势线性化缀加平面波方法
  • 交换关联势-广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)
  • 截断能(350eV)和k点数的选取使总能收敛到5meV/分子式
  • Mulliken布居数计算用Castep软件包——赝势平面波方法
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三、结果与讨论

空间群:P63/mmc;不等价原子位置:W1、W2、 B1、 B2

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系统研究了WB4的电子性质与超硬机制

电子态密度

电荷密度

布居数

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1、WB4的超硬机制

WB4电荷密度差值图

(a)xy平面

(b)z轴方向

很强的B-B三维网络共价成键

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B-B共价键强度

Pv (C-C bond in diamond) = 0.75

Pv (C-C bond in graphite) = 1.03

(1) B-B强的三维网络共价成键

(2) W-B成离子键,无杂化共价成键

2 wb 4 reb 2 ptn 2 osb 2
2、WB4与ReB2、PtN2、OsB2等不同之处?

ReB2

WB4

W-B形成离子键,无杂化共价成键

Re-B形成共价,离子杂化成键

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3、“过渡金属-轻元素”类材料超硬的必要条件?3、“过渡金属-轻元素”类材料超硬的必要条件?

化学元素周期表

WB4 TMB4(TM= Re、 Mo、Ta、Os、Tc )

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“过渡金属-轻元素”类材料超硬的必要条件

超硬材料

强的三维共价成键

高价电子密度

Dimond

0.705电子/Ǻ3

sp3杂化共价成键

过渡金属

轻元素

轻元素-轻元素

三维共价成键

过渡金属提供

Os: 0.572 电子/Ǻ3

OsB4: 0.501 电子/Ǻ3

WB4中B与B之间的三维网络共价成键

Re: 0.476 电子/Ǻ3

ReB4: 0.478 电子/Ǻ3

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四、结 论
  • WB4超硬性质是由很强的B-B三维网络共价成键所致;
  • 在WB4中W与B之间无杂化共价成键,主要体现离子性特征——这是与ReB2、PtN2、OsB2等不同之处;
  • 预言了其它五种TMB4(TM= Re、 Mo、Ta、Os、Tc )在WB4结构下也是超硬材料。
  • 过渡金属与轻元素化合物成为超硬材料的必要条件:轻元素间的强三维共价成键及过渡金属提供的高价电荷密度