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超硬材料 WB 4 硬度机制的第一性原理研究

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 WB 4 硬度机制的第一性原理研究

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  1. 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

  2. 主要内容 • 研究意义 • 计算方法 • 结果与讨论 • 结论

  3. 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

  4. 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 ？

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 三、结果与讨论 空间群：P63/mmc；不等价原子位置：W1、W2、 B1、 B2

  9. 理论计算结果与实验数据比较

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. 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

  14. 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 ）

  15. TMB4（TM=Re、Mo、Ta、Os、Tc） 超硬材料

  16. “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

  17. 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

  18. 谢 谢

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