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：刘飞 孙伟 王丽 贾斌 Liu Fei;Sun Wei;Wang Li;Jia Bin

作者机构：天津中德应用技术大学机械工程学院天津300350 

出 版 物：《稀有金属材料与工程》 (Rare Metal Materials and Engineering)

年 卷 期：2023年第52卷第10期

页      面：3399-3409页

核心收录：

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 

基　　金：Tianjin Science and Technology Planning Project(22YDTPJC00160) 

主　　题：第一性原理 晶体结构搜索 CrB 电子结构 超硬材料 

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-Cr B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-Cr B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最好。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。