为配合6H-SiC中化学无序对其导电性能影响的研究, 本研究运用经典分子动力学方法, 采用LAMMPS软件对6H-SiC的线性级联碰撞过程进行了模拟, 给出了在不同能量、不同种类PKA(Primary Knock-on Atom)的情况下, 6H-SiC单次线性级联碰撞和多次线性级联碰撞过程中主要点缺陷的演化过程, 并统计了多次级联碰撞后化学无序的演化和六种点缺陷各自最终所占的比例。结果表明, 级联碰撞产生的Si-Si键比C-C键更易形成且更加稳定, Si-Si键主要由Si_C反位缺陷形成, C-C键主要由C间隙原子聚集形成, PKA的种类及初始能量影响点缺陷的产额和化学无序的程度, 但不影响六种点缺陷各自的占比。

采用第一性原理计算方法, 系统研究了新型二维Zr₂CO₂/InS异质结的电子结构和光催化性能。计算结果显示, 二维Zr₂CO₂/InS异质结是一种直接带隙半导体材料, 晶格失配率低于3%, 形成能为-0.49 eV, 说明其具有稳定的结构; Zr₂CO₂/InS异质结的带隙值为1.96 eV, 对应较宽的可见光吸收范围, 且吸收系数高达10⁵ cm^-1; 异质结表现出Ⅱ型能带对齐, 价带和导带的带偏置分别为1.24和0.17 eV, 表明光生电子从Zr₂CO₂层转移到InS层, 而光生空穴则与之相反, 从而实现了电子和空穴在空间上的有效分离。另外, InS是间接带隙半导体材料, 能够进一步降低电子和空穴的复合率。综上所述, 新型二维Zr₂CO₂/InS异质结是一种潜在的可见光光催化剂。

陶瓷涂层对海工环境中的钢筋有着较好的保护作用。在碳钢表面喷涂磷酸盐陶瓷涂层, 采用XRD和XRF对陶瓷涂层的物相组成进行分析。结果表明: 实验用陶瓷的主要晶相成分为P₂O₅与SiO₂。采用SEM对陶瓷的表面和截面形貌进行观察, 发现陶瓷涂层内存在微裂纹, 涂层的厚度约为349 μm。采用X-CT测试可以得到陶瓷内部结构的高清图像, 并利用Matlab和Mimics软件对高清图像进行三维重构。此外通过阈值分割技术, 将CT图像内的孔与基体灰度值区分开来, 并计算得到陶瓷涂层的孔隙率为14%, 并采用压汞测试技术对测试结果进行验证。研究认为X-CT无损测试是一种建立陶瓷涂层内可视化孔结构分析的有效工具。

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在局域密度近似和广义梯度近似下, 研究了单点缺陷下不同结构氧化石墨烯的电子结构和光学特性。研究结果表明: 文中四种构型的氧化石墨烯为力学稳定结构, 其中包含不饱和氧原子的氧化石墨烯结构在水裂解及制氢中具有重要应用潜力。能带及分波态密度计算结果表明, 包含不饱和氧原子的构型为间接带隙半导体, 其余构型均为直接带隙半导体, 且掺杂类型和带隙值随结构不同而改变。氧化石墨烯的光学吸收表现为各向异性, 且在垂直于平面方向上的吸收边蓝移到近紫外可见光区。包含sp ³杂化形式的结构光学吸收系数比包含sp ²杂化的结构高, 说明碳氧双键和悬挂键的存在对吸收光谱有重要影响。

相图, 又称相平衡图, 是“材料设计的索骥图”, 而涂层的制备过程中(如物理气相沉积, Physical Vapor Deposition, 简称PVD), 系统一般远离平衡态, 获得的相为亚稳相, 相图计算CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams)方法的应用遇到了挑战。本文概述了模拟涂层材料亚稳相图的研究历程, 重点介绍了近期建立的临界表面扩散亚稳相图模型, 即通过耦合CALPHAD、第一性原理计算和高通量磁控溅射镀膜实验的方法对涂层材料的亚稳相进行表面扩散模拟, 相关计算仅需要一个高通量镀膜实验作为基础数据, 获得的亚稳相图也得到了实验验证。由此, 可以建立相关材料体系的稳定和亚稳相图数据库, 通过组分-制备工艺-组织结构和性能的关系, 指导陶瓷涂层材料的设计, 助推研发时间和成本“双减半”目标的实现。

Cr₄AlB₄是一种近期发现的三元层状硼化物MAB相陶瓷。该材料可形成具有保护性的氧化膜, 在高温结构材料领域有巨大应用潜力。本工作采用基于第一性原理的“线性优化法”和“键刚度”理论模型分别研究了Cr₄AlB₄的物相稳定性和力学行为。声子谱中没有虚频出现, 表明Cr₄AlB₄具有本征稳定性。而与其它Cr-Al-B系内的竞争相相比, Cr₄AlB₄具有最低的能量, 表明其在热力学上也是稳定的。采用“键刚度”模型对化学键刚度的定量计算显示, Cr₄AlB₄中Cr和B以及B和B原子之间形成了强共价键, 而Cr和Al原子则形成相对较弱的Cr-Al(625 GPa)和 B-Al(574 GPa)键。Cr₄AlB₄可以看成是由强共价键紧密连接在一起的Cr-B结构单元, 被弱Cr(B)-Al键分割而成的层状结构, 与MAX相结构类似。Cr₄AlB₄具有类似于MAX相的高损伤容限和断裂韧性。

本研究通过使用相图计算(Calculation of Phase Diagrams, 简称CALPHAD)耦合第一性原理计算的方法, 以相图作为判断依据, 探究Ti₃AuC₂、Ti₃IrC₂、Ti₃ZnC₂和Ti₂ZnC新型MAX相在不同温度下的热力学稳定性。使用相图计算(CALPHAD)方法建立起研究体系的热力学数据库, 耦合第一性原理得到的新型MAX相生成焓数据, 最终得到包含新型MAX相的三元相图。研究结果表明Ti₃AuC₂、Ti₃IrC₂、Ti₃ZnC₂和Ti₂ZnC的MAX相具有很好的热力学稳定性, 与实验结果吻合。本研究为确定新型MAX相的热力学稳定性提供了系统的研究方法, 可应用于指导合成更多未知的MAX相材料。

采用层次聚类及基于改进遗传算法的无监督模式识别方法, 对2D-C/SiC复合材料常温拉伸试验过程的声发射数据进行分析, 结合试样断口的扫描电镜(SEM)照片, 得到拉伸过程中5类损伤模式及其典型声发射特征参数。通过对各类损伤的能量分布、累计事件数和累计能量的分析, 研究C/SiC复合材料的损伤演化过程, 发现其过程可分为基体微裂纹和界面失效为主的初始损伤阶段、基体微裂纹停滞导致层间剥离及纤维失效占主导地位的裂纹饱和阶段、基体长裂纹和界面失效为主的损伤积累发展阶段和纤维束大量失效的宏观断裂阶段。