ZrV_2结构、弹性和热力学性质的第一性原理计算

《ZrV_2结构、弹性和热力学性质的第一性原理计算》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第3O卷第2期计算物理V01．30．NO．22013年3月CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICSMar．，2013文章编号：1001-246X(2013)02-0256-09ZrV2结构、弹性和热力学性质的第一性原理计算刘显坤，郑洲，兰晓华，刘聪(中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川I绵阳621900)摘要：采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究ZrV的晶体结构和弹性，利用准谐Debye模型计算在不同温度(T=0～1200K)和不同压强(P=0～20GPa)下ZrV，的热力学性质，包括弹性模量与压强，热熔

2、与温度，以及热膨胀系数与温度和压力的关系．结果表明：计算的ZrV，晶格常数与实验值符合较好，晶体材料的弹性常数随着压力增加而增加；在一定温度下，相对体积、热熔随着压强的增加而减小，德拜温度、弹性模量随着压强的增加而增加，且高压下温度对ZrV，热膨胀系数的影响小于压强的影响．关键词：ZrV，；弹性；热力学性质；第一性原理中图分类号：0641；0649；7115A文献标识码：AO引言ZrV是一种低平衡压的多功能贮氢合金材料，具有贮氢密度大(可与液氢和固态氢相比拟)、使用安全和便于运输等优点，在氢(H)、氘(D)和氚(T)等氢同位素贮存、国防、能源、核技术应用，

3、以及超导研究领域具有广阔的应用前景⋯．从20世纪70年代发现至今，国内外研究人员已经对zrV合金及储氢性能进行了大量研究．其中，实验方面，Hempelman和Irodova¨率先研究了ZrV：合金在室温下的相图，但二者所得相图的相变点明显不同；彭述明等人研究了ZrV：合金的吸、放氘性能，发现该合金对于氘的吸附和离解存在明显的滞后效应，且该合金材料的吸氘速度与吸附温度密切相关．张伟光等对不同D含量的ZrV合金氘化物物相的结构进行了实验和表征研究，获得了几种不同D含量下合金材料的晶体结构和体胀率；理论方面，彭。。等利用基于密度泛函理论的赝势方法，对ZrV体系吸

4、氢后的结构和总能、以及H原子在合金材料各种间隙位中的占位机理进行了模拟研究，预测了在不同H含量体系下，ZrV：合金的结构变化和H原子的占位趋势，从能量和体胀率等方面预测了H的占位及其部分微观结构．由此可见，无论在理论上，还是在实验方面，国内外的研究者对ZrV：合金材料均进行了大量研究，但大多数局限于ZrV：材料本身的结构或者ZrV：吸附氢(或其同位素)后体系晶体结构和H、D、T元素在合金中的占位研究方面，而对于ZrV合金材料的弹性性质和热力学性质方面的研究还鲜有报道，特别是关于高温和高压下ZrV合金材料性质研究方面的文献就更为少见．因为zr、Ti及其合金材

5、料是常用的储氢材料¨，因此也常常被研究人员用来储存D和T，中子管用的氚靶材材料就是ZrV合金在核技术研究领域的重要应用之一，氚靶材料在受到D离子轰击时，会发生D—T的聚变反应而放出大量热量，靶材基体材料温度会升高，高温对于靶材料的热力学性能提出了更高要求．近年来，通过理论研究方法获得合金材料的热力学参数，从理论上预测和评估材料的使用性能，已经显得十分重要；同时，材料的弹性与物质材料的基本性质密切相关，如弹性模量、体积膨胀率、热熔和德拜温度等．因此，研究zrV：材料在不同温度和不同压力下的变化行为，特别是在高温和高压下的弹性行为，对于了解ZrV，材料的物理特

6、性，获知其弹性性能方面具有十分重要的意义．本文采用基于密度泛函的GGA近似方法，对ZrV晶胞体系的结构和能量进行了计算，得到晶胞总能和体积之问的变化关系，并将其拟合到Debye模型，获得了不同温度和压强下，ZrV材料的热熔、德拜温度、体弹性模量，以及体积变化率与温度和压力之间的变化关系等(此方法已成功运用到许多材料的性质研收稿日期：2012—05—14；修回日期：2012—10—13基金项目：国防预研项目(20100210)资助作者简介：刘显坤(1975一)，四川绵阳，副研究员，博士，从事材料模拟和核技术应用研究，E-mail：xiankunliu@126

7、．corn258计算物理第3O卷图2给出了ZrV原胞总体能量E与表1ZrV：晶体原胞晶格常数(a)。体弹性模量(曰)体积之间的变化关系．从图2可以看及对其对压强的一阶导数(曰)出，ZrV结构模型在零温零压下，当其体积TablelCalculatedandexperimentalcrystalparameters(a)。bulkmodulus(B)andpressurederivatives(B)ofZrV2V=99．4249A’时，晶体原胞体系的能量达到最小值E=一10467．48042eV，此时体系最稳定．2．2弹性性质材料的弹性性质无论是在材料、化学、

8、物理学还是其他学科，均是比较重要的研究对象，因为弹性性质与晶体材料