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《ZrV_2結(jié)構(gòu)、彈性和熱力學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、第3O卷第2期計(jì)算物理V01．30．NO．22013年3月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSMar．，2013文章編號(hào)：1001-246X(2013)02-0256-09ZrV2結(jié)構(gòu)、彈性和熱力學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算劉顯坤，鄭洲，蘭曉華，劉聰(中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川I綿陽(yáng)621900)摘要：采用基于密度泛函理論的第一性原理平面波贗勢(shì)方法研究ZrV的晶體結(jié)構(gòu)和彈性，利用準(zhǔn)諧Debye模型計(jì)算在不同溫度(T=0～1200K)和不同壓強(qiáng)(P=0～20GPa)下ZrV，的熱力學(xué)性質(zhì)，包括彈性模量與壓強(qiáng)，熱熔
2、與溫度，以及熱膨脹系數(shù)與溫度和壓力的關(guān)系．結(jié)果表明：計(jì)算的ZrV，晶格常數(shù)與實(shí)驗(yàn)值符合較好，晶體材料的彈性常數(shù)隨著壓力增加而增加；在一定溫度下，相對(duì)體積、熱熔隨著壓強(qiáng)的增加而減小，德拜溫度、彈性模量隨著壓強(qiáng)的增加而增加，且高壓下溫度對(duì)ZrV，熱膨脹系數(shù)的影響小于壓強(qiáng)的影響．關(guān)鍵詞：ZrV，；彈性；熱力學(xué)性質(zhì)；第一性原理中圖分類(lèi)號(hào)：0641；0649；7115A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AO引言ZrV是一種低平衡壓的多功能貯氫合金材料，具有貯氫密度大(可與液氫和固態(tài)氫相比擬)、使用安全和便于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在氫(H)、氘(D)和氚(T)等氫同位素貯存、國(guó)防、能源、核技術(shù)應(yīng)用，
3、以及超導(dǎo)研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景?．從20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)至今，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)對(duì)zrV合金及儲(chǔ)氫性能進(jìn)行了大量研究．其中，實(shí)驗(yàn)方面，Hempelman和Irodova¨率先研究了ZrV：合金在室溫下的相圖，但二者所得相圖的相變點(diǎn)明顯不同；彭述明等人研究了ZrV：合金的吸、放氘性能，發(fā)現(xiàn)該合金對(duì)于氘的吸附和離解存在明顯的滯后效應(yīng)，且該合金材料的吸氘速度與吸附溫度密切相關(guān)．張偉光等對(duì)不同D含量的ZrV合金氘化物物相的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和表征研究，獲得了幾種不同D含量下合金材料的晶體結(jié)構(gòu)和體脹率；理論方面，彭。。等利用基于密度泛函理論的贗勢(shì)方法，對(duì)ZrV體系吸
4、氫后的結(jié)構(gòu)和總能、以及H原子在合金材料各種間隙位中的占位機(jī)理進(jìn)行了模擬研究，預(yù)測(cè)了在不同H含量體系下，ZrV：合金的結(jié)構(gòu)變化和H原子的占位趨勢(shì)，從能量和體脹率等方面預(yù)測(cè)了H的占位及其部分微觀結(jié)構(gòu)．由此可見(jiàn)，無(wú)論在理論上，還是在實(shí)驗(yàn)方面，國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)ZrV：合金材料均進(jìn)行了大量研究，但大多數(shù)局限于ZrV：材料本身的結(jié)構(gòu)或者ZrV：吸附氫(或其同位素)后體系晶體結(jié)構(gòu)和H、D、T元素在合金中的占位研究方面，而對(duì)于ZrV合金材料的彈性性質(zhì)和熱力學(xué)性質(zhì)方面的研究還鮮有報(bào)道，特別是關(guān)于高溫和高壓下ZrV合金材料性質(zhì)研究方面的文獻(xiàn)就更為少見(jiàn)．因?yàn)閦r、Ti及其合金材
5、料是常用的儲(chǔ)氫材料¨，因此也常常被研究人員用來(lái)儲(chǔ)存D和T，中子管用的氚靶材材料就是ZrV合金在核技術(shù)研究領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，氚靶材料在受到D離子轟擊時(shí)，會(huì)發(fā)生D—T的聚變反應(yīng)而放出大量熱量，靶材基體材料溫度會(huì)升高，高溫對(duì)于靶材料的熱力學(xué)性能提出了更高要求．近年來(lái)，通過(guò)理論研究方法獲得合金材料的熱力學(xué)參數(shù)，從理論上預(yù)測(cè)和評(píng)估材料的使用性能，已經(jīng)顯得十分重要；同時(shí)，材料的彈性與物質(zhì)材料的基本性質(zhì)密切相關(guān)，如彈性模量、體積膨脹率、熱熔和德拜溫度等．因此，研究zrV：材料在不同溫度和不同壓力下的變化行為，特別是在高溫和高壓下的彈性行為，對(duì)于了解ZrV，材料的物理特
6、性，獲知其彈性性能方面具有十分重要的意義．本文采用基于密度泛函的GGA近似方法，對(duì)ZrV晶胞體系的結(jié)構(gòu)和能量進(jìn)行了計(jì)算，得到晶胞總能和體積之問(wèn)的變化關(guān)系，并將其擬合到Debye模型，獲得了不同溫度和壓強(qiáng)下，ZrV材料的熱熔、德拜溫度、體彈性模量，以及體積變化率與溫度和壓力之間的變化關(guān)系等(此方法已成功運(yùn)用到許多材料的性質(zhì)研收稿日期：2012—05—14；修回日期：2012—10—13基金項(xiàng)目：國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目(20100210)資助作者簡(jiǎn)介：劉顯坤(1975一)，四川綿陽(yáng)，副研究員，博士，從事材料模擬和核技術(shù)應(yīng)用研究，E-mail：xiankunliu@126
7、．corn258計(jì)算物理第3O卷圖2給出了ZrV原胞總體能量E與表1ZrV：晶體原胞晶格常數(shù)(a)。體彈性模量(曰)體積之間的變化關(guān)系．從圖2可以看及對(duì)其對(duì)壓強(qiáng)的一階導(dǎo)數(shù)(曰)出，ZrV結(jié)構(gòu)模型在零溫零壓下，當(dāng)其體積TablelCalculatedandexperimentalcrystalparameters(a)。bulkmodulus(B)andpressurederivatives(B)ofZrV2V=99．4249A’時(shí)，晶體原胞體系的能量達(dá)到最小值E=一10467．48042eV，此時(shí)體系最穩(wěn)定．2．2彈性性質(zhì)材料的彈性性質(zhì)無(wú)論是在材料、化學(xué)、
8、物理學(xué)還是其他學(xué)科，均是比較重要的研究對(duì)象，因?yàn)閺椥孕再|(zhì)與晶體材料
