Search academic texts

Registration Number

0821U100688, PhD dissertation

Title

Stability and properties of solid solutions based on borides and carbides of transition metals and silicon carbide: first-principle research.

Author

Mediukh Nazarii Romanovytch,

popup.head Іващенко Володимир Іванович
popup.opponent Zaulychnyy Yaroslav Vasylʹovych
popup.opponent Timoshevski A.
popup.review Zakaryan Dora A
popup.review Kartuzov Valerij Vasylijovych

Status

Доктор філософії, 105, Прикладна фізика та наноматеріали

Date

20-04-2021

Description

В роботі проводили скалярно-релятивістські обчислення зонної структури для обраних упорядкованих і неупорядкованих суперкомірок, використовуючи Quantum-ESPRESSO код, побудований на методі функціоналу густини. Для твердих розчинів Ti1-xNbxB2 та Ti1-xZrxB2 було встановлено, що при T=0 K Ti1-xNbxB2 є стабільними (негативна енергія змішування), тоді як Ti1-xZrxB2 є термодинамічно нестійким (позитивна енергія змішування). Отримані негативні значення енергії змішування для всіх складів Ti1-xNbxB2 вказують на можливість утворення стабільних неперервних твердих розчинів заміщення. Встановлено, що причиною зміцнення твердих розчинів Ti1-xNbxB2 є посилення міжатомної взаємодії між xy-площинами в z-напрямку. Це підтверджується розрахунками парціальних щільностей електронних станів і парціальних зарядів, які показують збільшення заряду на pz орбіталях атомів бору у порівнянні з px та py орбіталями для складів близьких до еквіатомних. Передбачається, що зі зниженням температури до критичної 1973 К тверді розчини Ti1-xZrxB2 розпадатимуться відповідно до спінодального чи бінодального механізмів. Врахування фононної компоненти зменшує критичну температуру розпаду. Вивчення механічних властивостей Ti1-xNbxB2 та Ti1-xZrxB2 показало, що вони не корелюють зі стабільністю твердих розчинів і змінюються практично лінійно залежно від їхнього складу. Для встановлення можливих шляхів переходу B1-SiC в B3-SiC при декомпресії була застосована першопринципна молекулярна динаміка (FPMD). Проміжні стани аналізували на наявність симетрії за допомогою теоретико-групового підходу та аналізу фононних спектрів. Показано, що шлях переходу залежить від розміру та конфігурації початкових комірок, температур моделювання та наявності м'яких фононних мод, вимерзання яких призводить до структурної трансформації. Ми знайшли два можливих шляхи для перетворення з B1 в 3C структуру: Fm3m -- Imm2 -- I4m2 -- F43m Fm3m -- I4mm -- Cc -- F43m Задля визначення механічних та термодинамічних характеристик та стабільності твердих розчинів TiC-SiC та NbC-SiC були проведені відповідні першопринципні розрахунки. Розрахована енергія змішування має позитивні значення для обох систем, а значить, утворення твердих розчинів при низьких температурах є енергетично невигідним. Задля визначення стабільності твердих розчинів при скінченних температурах нами були побудовані спінодальні та бінодальні криві з врахуванням фононної та конфігураційної компонент. Для системи Ti1-xSixC розглядались структури B1 та B3, оскільки карбід титану є стабільним у В1 структурі, а карбід кремнію -- у В3. Показано, що структура B1 є енергетично вигідною в діапазоні 0 <= x <0.5, тоді як структура В3 -- в діапазоні 0.5 <= x < 1.0. Аналогічні обчислення для сплавів Nb1-xSixC показали, що вони є динамічно нестабільними на широкому проміжку концентрацій. Попри те, що обидві системи TiC-HfC і TiC-TaC показують позитивне відхилення об'єму від лінійності, TiC-HfC система є нестабільною, тоді як TiC-TaC система є стабільною. Дослідження механічних властивостей показало, що модулі пружності та твердості для TiC-HfC мають негативне відхилення від лінійності, тоді як для TiC-TaC -- позитивне. Для вивчення причин зміцнення твердих розчинів TiC-TaC та нестабільності TiC-HfC проведено аналіз їх електронної структури. Показано, що зміцнення в основному спричинене внеском металічної складової хімічного зв'язку, тоді як енергетична нестабільність сплавів TiC-HfC обумовлена, головним чином, різницею між об'ємами комірок TiC та HfC. Був проведений аналіз стабільності всіх можливих комбінацій твердих розчинів на основі карбідів перехідних металів IV, V та частково VI груп. Показано, що всі сплави на основі карбідів ПМ різних груп є розчинними, за винятком ZrC-VC та HfC-VC, що пояснюється великою різницею між об'ємами комірок карбідів, з яких вони складаються. Показано, що енергія змішування залежить в основному від різниці об’ємів кінцевих карбідів та різниці зайнятості металевої смуги в них. Проведені розрахунки показують, що максимальна твердість карбідних сплавів має бути для композицій з кількістю валентних електронів рівним 8.5--8.75. Розроблена методика дослідження, а також отримані результати можна застосовувати для пояснення фазових переходів, механізмів зміцнення та для передбачення механічних і термодинамічних властивостей інших твердих розчинів. Вивчені нами властивості тугоплавких сплавів на основі боридів і карбідів перехідних металів та SiC можуть бути корисними при проєктуванні нових надтвердих матеріалів.