金属所额外电子诱导共价强化机理研究获系列进展

发布时间：2012-10-18 13:34 原文链接：金属所额外电子诱导共价强化机理研究获系列进展

　　材料的强韧化一直是传统金属材料研究的核心问题之一。一般地，由于存在金属键，纯金属强度低、塑性好。而金属间化合物、准晶和金属玻璃等则强度高、脆性大、塑性变形能力差，但造成这一共性现象的原因迄今不明。金属材料可以通过传统的强化方式（如加工硬化、细晶强化、固溶、沉淀和弥散强化等）和新的强化方式（如纳米孪晶、梯度纳米等）变得更强。这些方式的本质均是控制位错、点缺陷或（晶）界面等来实现材料的机械属性的强韧匹配。

　　近日，沈阳材料科学国家（联合）实验室材料加工模拟研究部金属基高强材料设计及模拟组从电子结构的角度出发，提出了一种新的材料强化方式——额外电子诱导共价强化。他们在研究以铝二十面体为基本组成单元的铝十二钨（Al12W）类型系列金属间化合物的稳定性、电子结构和机械性能时，发现一个值得关注的现象：在这类材料中存在额外电子诱导的共价强化机制。这种机制与材料的传统强化方式不同，它是通过改变临界价电子浓度使材料戏剧性地从塑性较好的金属键转变为强度较高的共价键，从而显著提高了材料的强度。

　　众所周知，纯铝强度低，存在典型的金属键。Al12W类型金属间化合物中铝原子含量高达93%。在面心立方结构铝中，每个铝原子都有十二个最近邻的铝原子围绕。相似地，在Al12W类型金属间化合物中，过渡族金属元素钨也被十二个最邻近的铝原子所围绕，形成五重旋转对称的二十面体，因此这些化合物也常被称为类准晶化合物。通过第一原理计算发现，当二十面体内的价电子浓度达到临界值以上，材料内金属键转变成共价键，从而导致其机械强度和纯铝相比得到大幅度提高。随着二十面体内价电子浓度的进一步增加，机械强度的提高更加显著，这种机制为研究和提高材料强度提供了新视角。首先，它使人们认识材料的强化方式从阻碍位错运动扩充到调控材料内部的化学键属性；其次，可以通过人为手段（比如合金化和外在的势场）在材料局部或全域引入更多的额外电子诱导共价有针对性地提高材料的强度；此外，还为本质上理解一些金属间化合物、准晶和金属玻璃具有高强且脆的属性提供了线索。

　　受此强化机制的启发，科研人员还研究了上世纪90年代Pettifor提出的Cauchy压力对材料化学键的判据和50年代Pugh模量比率（对应泊松率）对材料韧脆的判据经验关系，通过对330余种立方晶格材料、近6000个数据进行分析，提炼出新的材料强韧倒置关系。在此基础上，研究还揭示了硬材料的维氏硬度与材料Pugh模量比率的平方和剪切模量G的乘积具有函数关系：Hv=2(K2G)0.585-3 (k=G/B；这里B是体积模量)；如果材料完全在弹性范围内失效（例如金属玻璃、准晶等），其硬度与G成严格线性关系：Hv=0.151G。上述硬度模型的提出统一了过去广泛存在的争论，表明硬度不仅关联到由Gilman观察到的体积模量，而且也关联到Teter观察到的剪切模量。上述理论模型成功预测了所有已知的超硬材料的硬度，并进一步解释了具有争议的碳的同素异构体T-carbon的硬度，揭示了传统的半经验硬度理论模型对各向异性材料失效的物理本质。这些工作为高效设计新型高强及超硬材料提供了理论基础。

　　应用上述模型并结合额外电子诱导共价强化机制，通过第一原理计算、实验合成及表征，科研人员研究发现一种新型超硬材料CrB4。该材料不仅克服了传统超硬材料如金刚石、氮化硼不易合成的缺点，而且其化学稳定性高，维氏硬度高达48 GPa，展示了良好的应用前景。另外，科研人员还提出冷压石墨结构的拓扑组合规律，预言新型碳同素异构体相家族，并解释了它们的超硬特性。

　　相关工作对从电子结构角度研究材料强化、强韧属性和设计高强及超硬材料等具有重要意义。系列工作发表在Scientific Reports, 2, 718 (2012)；Physical Review Letters, 108, 135501 (2012)；Physical Review B, 85, 144116 (2012)； Intermetallics, 19, 1275-1281 (2011)；Physical Review B, 84, 121405(R) (2011)；Applied Physics Letters, 99, 031901 (2011)；Applied Physics Letters, 97, 061901 (2011)。

　　这些工作得到了中国科学院“百人计划”和国家自然科学基金面上项目的资助。研究也获得了国家超算天津中心“天河一号”和中科院超算中心及沈阳分中心计算资源的大力支持。