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不同压力下CrB的晶体结构、电子结构及力学性质的第一性原理研究
作者:
作者单位:

天津中德应用技术大学 机械工程学院,天津 300350

作者简介:

通讯作者:

中图分类号:

基金项目:

天津市科技计划项目(22YDTPJC00160)


Crystal Structure Prediction, Electronic Structure and Me-chanical Properties of CrB: A First-Principles Investigation
Author:
Affiliation:

School of Materials Engineering, Tianjin Sino-German University of Applied Science, Tianjin 300350, China

Fund Project:

Tianjin Science and Technology Planning Project (22YDTPJC00160)

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    摘要:

    基于密度泛函理论第一性原理的方法,使用CALYPSO对CrB进行晶体进行结构搜索,并对搜索出的结构进行了电子结构的分析及力学性质的预测。结果表明,采用1倍分子式搜索出的2种结构中,α-CrB相为立方结构,空间群为Fm-3m(No. 225),β-CrB相为四方结构,空间群为P4/mmm(No. 123)。当压强超过90 GPa时,CrB将会发生结构相变,由α-CrB相转变为β-CrB相。声子谱的计算结果及力学稳定性的判据结果表明,α-CrB相及β-CrB相均具有动力学及力学稳定性。β-CrB相晶体中,B原子的s轨道、p轨道及Cr原子的d轨道发生杂化,形成共价键及离子键;α-CrB相晶体,Cr的d轨道和B的p轨道发生轨道杂化,形成了离子键。β-CrB相中态密度能量范围分布较大且峰值相对较低,能带色散较强,原子轨道相互作用较强。随着压力的增加,α-CrB相的硬度值逐渐升高,在90 GPa时达到最大值28 GPa,并且韧性和硬度的匹配程度最好,即此时材料的综合力学性能是最好的。当压力超过90 GPa发生相变后,β-CrB相的硬度值明显降低,低至9.3 GPa,此时B/G值增加至3.9,表现出明显的韧性特征。α-CrB相晶体虽然原子间作用力较低且体积模量较小,但是由于晶体内部原子之间形成了化学键网络,体积模量的各向异性相对较低,这是其具有较高硬度的主要原因。

    Abstract:

    Different crystal structures of CrB were obtained bythe CALYPSO software. The electronic structure and mechanical properties of CrB were analyzed through first-principles calculations. The results show that the structure of CrB transits from α-CrB to β-CrB phase at 90 GPa. The β-CrB phase exhibits both covalent and ionic bonds, while α-CrB phase is dominated by ionic bonds. The modulus and hardness of both phases increase with increasing pressure. However, the hardness of β-CrB is less than that of α-CrB, indicating that the comprehensive mechanical properties of CrB are optimized at 90 GPa. From the perspective of electronic structure, the reasons for the changes in the mechanical properties of CrB under different pressures were explained.

    参考文献
    相似文献
    引证文献
引用本文

刘飞,孙伟,王丽.不同压力下CrB的晶体结构、电子结构及力学性质的第一性原理研究[J].稀有金属材料与工程,2023,52(10):3399~3409.[Liu Fei, Sun Wei, Wang Li. Crystal Structure Prediction, Electronic Structure and Me-chanical Properties of CrB: A First-Principles Investigation[J]. Rare Metal Materials and Engineering,2023,52(10):3399~3409.]
DOI:10.12442/j. issn.1002-185X.20230105

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  • 收稿日期:2023-03-02
  • 最后修改日期:2023-04-23
  • 录用日期:2023-04-27
  • 在线发布日期: 2023-10-26
  • 出版日期: 2023-10-24