基本信息
- 项目名称：
- 铝稀土合金化相平衡研究及其金属间化合物的第一性原理计算
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品针对当前铝稀土合金设计与开发对于其结构、性质以及稀土合金化相关相图数据的需要来开展研究，通过实验测定Al-Dy-Zr、 Al-Cr-Gd、Al-Cr-Pr三个三元系合金的相组成和相关系，及通过第一性原理对Al3RE(RE=La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd)金属间化合物的晶体结构、弹性常数、机械性能行计算。为轻质高强度铝合金的研究开发提供了理论基础和实验依据。
- 详细介绍：
- 铝稀土合金是当前重要的轻质结构材料，广西的铝资源丰富，开展相关研究具有重要的理论和实际意义。 本工作在实验上，研究稀土铝合金化即Al-T-RE（T=Zr、Cr; RE=Dy、Gd、Pr）的研究是通过把稀土元素Dy加入Al-Zr合金，Pr、Gd加入Al-Cr合金中,弄清Al-T-RE三元系合金在773K下的相组成和相关系。了解稀土铝合金在制备过程中的熔化与结晶行为和在相应使用环境中可能发生的变化、热处理工艺等。弥补Al-T-RE合金相图的空缺，为高性能铝、铬、锆合金的开发提供理论基础和实验依据。 此外，在理论上的研究则利用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算Al3RE(RE=La,Ce,Pr,Nd, Sm,Gd)的晶体结构，电子结构和机械性能。利用LSDA+U的方法研究了Al3RE化合物的电子结构。还利用Voigt–Reuss–Hill(VRH)模型推导出Al3RE化合物的弹性模量E和泊松比ν等，进而确定Al3RE金属间化合物的晶体结构和机械性能。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品通过采用了X-ray衍射法、电镜能谱法和差热分析法等实验技术来分别测定了铝稀土合金化Al-Dy-Zr、Al-Cr-Gd、Al-Cr-Pr体系的相平衡，了解铝稀土合金在制备过程中的熔化与结晶行为和在相应使用环境中可能发生的变化、热处理工艺等。还利用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算Al3RE(RE=La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd)的晶体结构，电子结构和机械性能。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品综合运用的X-ray衍射法、电镜能谱法和差热分析法等实验技术，确保了铝稀土合金化相平衡测定工作的科学性与准确性。运用第一性原理计算铝稀土金属间化合物Al3RE(RE=La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd)的电子结构和机械性能。计算科学在材料中的应用，可避免传统材料研制如“试错法”等对人力、物力、财力的大量消耗。
应用价值和现实意义
- 本作品研究了铝稀土合金化相平衡，优化合金组分，并运用第一性原理计算铝稀土金属间化合物的电子结构、机械性能等信息，弥补了铝稀土合金的设计和开发对其结构、性质及相图数据需求的不足。便于广西能更好地开发丰富的铝、稀土资源，为广西有色金属产业向深加工方向发展提供重要的实验和理论依据。
学术论文摘要
- [1]潘复生等．我国稀土铝合金的研究和应用[J]．轻合金加工技术，1990,3：1-12 [2]曹大力等. 稀土在铝及铝合金中的作用[J].稀土.2006,5. [3]聂耀庄. 金属晶格稳定性与热学性质第一原理研究[D].中南大学，2007. [4]H.Okamoto, Al-Zr (Aluminum-Zirconium)[J]. Journal of phase equilibria, 23(5) (2002) 455-456 [5]H.Okamoto, phase diagrams for binary alloys[M]. American Society for Metals International. 21(6)(2000)569 [6]H.Okamoto, phase diagrams for binary alloys[M]. American Society for Metals International.2(1990)174.
获奖情况
- 2011年5月在《Solid State Communications》发表一篇论文: Mingjun Pang, Yongzhong Zhan, Maoxing Ling(凌茂星), Shuangjie Wei, Ya Liu and Yong Du.First-principles study on the crystal, electronic structure and mechanical properties of hexagonal Al3RE(RE=La,Ce,Pr,Nd,Sm,Gd) intermetallic compounds.[J]Solid State Communications(2011),doi:10.1016/j.ssc.2011.05.25
鉴定结果
- 无
参考文献
- 无
同类课题研究水平概述
- 相图是材料科学的基础，是探索新材料的重要参考，是制定和改进材料加工工艺及规范热处理的主要依据。金属间化合物材料是以相图中间的有序金属间化合物作为基体的一种全新材料，与传统的金属材料相比，其性能介于金属和陶瓷之间，是一类极具潜力的高温结构材料。 H.Okamoto在1990-2002之间已测定了二元相图Al-Zr、Al-Cr、Al-Dy、Al-Gd、Al-Pr、Zr-Dy、Cr-Pr、Cr-Gd。这些二元相图为测定三元合金相图提供了非常重要的信息。本作品研究铝稀土合金化的相组成和相关系，为高强度铝、铬、锆合金的开发提供理论基础和实验依据。本工作属首次研究，弥补了Al-Zr-RE，Al-Cr-RE系合金相图的不足。 Srivastava等用TB-LMTO法在绝对零度和高压条件下研究了AlRE金属间化合物电子和热性能。计算结果表明，稀土的f层电子对AlRE金属间化合物电子和热性能有重要的作用。Tao等人使用投影缀加波（PAW）方法预测AlRE和Al2RE在300 K下的弹性性质和热力学性质。此外，也有关于立方Al3RE金属间化合物的一些研究。Al3RE金属间化合物有四种结构：六方 Ni3Sn 结构，六方 AuCu3结构，三方/菱方 Al3Ho结构，四方 Al3Ti结构。由于对六方Al3RE结构金属间化合物研究很少，有必要探讨研究。据报道，稀土离子f层电子对在铝合金的结构和电子性能有重要作用。因此，有必要了解Al3RE金属间化合物的晶体结构、电子结构和机械性能等信息。
