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题名	结构/功能一体化复杂氧化物陶瓷结构与性能关系的理论研究
作者	刘斌
学位类别	博士
答辩日期	2010
授予单位	中国科学院金属研究所
授予地点	北京
导师	周延春 ; 王京阳
关键词	复杂氧化物陶瓷 结构性能关系 理论模拟 力学/热学性质 缺陷
学位专业	材料学
中文摘要	"复杂氧化物陶瓷作为一类新型的结构/功能一体化材料，由于具有复杂的晶体结构和化学键的不均匀性，从而表现出了与传统二元氧化物陶瓷不同的性能。与传统二元氧化物陶瓷相比，它们在保持了熔点高、高温稳定性好等优点的同时，也表现出其它方面优异的性能，如热膨胀系数与碳氮化合物陶瓷或高温合金相匹配、低氧传输系数、高损伤容限和缺陷容忍度高等。因此，这类材料被认为具有多种潜在的用途：如高温结构材料、热障/环障涂层、核废物存储陶瓷和光学材料。但是，由于这些材料晶体结构和化学键组成非常复杂，所以人们对于这一类材料的认识还很不充分，甚至很多材料的一些基本性质：如弹性常数、力学性质参数、热导率等尚没有报道。针对这一情况，本论文运用第一原理计算和分子动力学模拟研究了烧绿石结构体系、Si-N-O体系和Y-Si-O体系氧化物的力学性质、热学性质和缺陷结构。作者希望通过对上述复杂体系的研究来预测它们的力学/热学性质、缺陷结构并建立其结构性能关系。 使用第一原理方法计算了烧绿石氧化物La2T2O7（T = Ge, Ti, Sn, Zr, Hf）弹性常数、力学性质和热导率并建立了这类化合物的复杂晶体结构、化学键不均匀性和力学/热学性能之间的关系。我们证明了La-O弱键对La2T2O7（T = Ge, Ti, Sn, Zr, Hf）的力学性能和热导率起决定性作用。一方面，La-O弱键的存在使得La2T2O7烧绿石氧化物的平均化学键强度弱于其对应的二元氧化物TO2，也因此造成了La2T2O7烧绿石氧化物具有更低的杨氏模量和更低热导率。另一方面，La-O弱键使得这类陶瓷化合物容易发生剪切变形而具有一定的损伤容限。最后，通过考虑材料弹性性能的各向异性，我们还修正了Clark关系，以更准确地计算材料的最低热导率。 计算了Si2N2O的力学性质、本征缺陷和掺杂金属离子（Li）缺陷对结构和性能的影响。首先，发现了具有较小力常数的Si-O-Si桥易发生弯曲和倾斜，这使得Si2N2O具有异常低的(100)[001]和(100)[010]方向的剪切弹性模量。并通过热学性质的计算预测Si2N2O也是一种可能的热障涂层候选材料。其次，预测了O和N原子间的反结构缺陷是这一材料中的本征缺陷的主要类型。同时提出了Si2N2O晶格容纳过量SiO2或Si3N4在原子尺度的主要机制。而且在能量上Si2N2O晶体中更容易容纳多余的SiO2。最后，对掺杂的研究表明，金属离子Li对Si2N2O的晶体结构和电子结构都有影响，并直接导致了介电常数的升高。 为解释实验中发现的非晶SiO2弹性模量随温度升高而反常增大的机制，我们用分子动力学模拟研究了其晶体结构、弹性性能和原子动能随温度的变化关系及它们之间的相互联系。结果表明，造成上述反常现象的原因是非晶SiO2在较低温度段（300 K ~ 1600 K）有一特殊的结构变化模式，即Si-O-Si键角的弯曲和扭转。其结果是使得Si-O-Si键角趋向于180°，使SiO2具有更高的刚性。在高温段（1700 K以上），Si-O键的伸长成为主要的结构变化模式，进而使得非晶SiO2的弹性模量随温度升高而降低。再进一步升高温度，由于SiO4四面体的坍塌，非晶SiO2的弹性模量急剧下降。 研究了Y2SiO5和Y2Si2O7的本征缺陷结构。Y2SiO5和Y2Si2O7是有诱人应用前景的涂层材料（热障涂层和抗氧化防护涂层）和光学材料。由于在上述应用中缺陷的影响非常重要，需要解释缺陷机制并进行缺陷类型控制。我们首先提出了在Y2SiO5中，氧空位倾向于在SiO4四面体内形成，这一结果纠正了以前人们对此的错误认识（即从晶体结构简单推测氧空位易于在SiO4四面体间的间隙氧位置形成）。其次，我们发现O原子在Y2SiO5中的扩散能垒非常高（与Al2O3和SiO2相近），表明这一材料对氧传递有阻碍作用，是一种极具潜力的抗氧化防护涂层材料。最后，Y2SiO5和Y2Si2O7的本征缺陷研究阐明了其最可能的缺陷形成机制，并预测了在Y2O3或SiO2过量时的缺陷结构。这一结果（1）帮助理解实验中发现的缺陷类型；（2）可以指导实验上材料合成过程中确定原材料配比。同时，由于在上述研究中考虑了化学势（即化学环境）的影响，理论结果对实验上控制点缺陷类型有重要的指导意义。"
公开日期	2013-04-12
内容类型	学位论文
源URL	[http://210.72.142.130/handle/321006/64170]
专题	金属研究所_中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	刘斌. 结构/功能一体化复杂氧化物陶瓷结构与性能关系的理论研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2010.

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