楚晓晨　俞泽民

摘要：基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）赝势平面波方法，采用局域密度近似，计算了α-Nb₅Si₃，β-Nb₅Si₃和γ-Nb₅Si₃的电子结构、态密度以及布居数和力学性质。研究表明：三种不同结构的Nb₅Si₃形成能均为负值，均为热力学稳定的，其中α-Nb₅Si₃最稳定。α-Nb₅Si₃、β-Nb₅Si₃和γ-Nb₅Si₃的体积模量分别为：192.3GPa、188.6GPa和185.9GPa；剪切模量分别为130.9GPa、111.4GPa和24.4GPa。其中α-Nb₅Si₃具有最高的体积模量和剪切模量。基于Pugh的经验判据，α-Nb₅Si₃和β-Nb₅Si₃的B/G均小于1.75，为脆性，且α-Nb₅Si₃的脆性大于β-Nb₅Si₃的B/G大于1.75，为韧性。α-Nb₅Si₃、β-Nb₅Si₃和γ-Nb₅Si₃在费米面态密度值依次为14.84eV、18.89eV和23.64eV。因此，α-Nb₅Si₃结构最稳定，γ-Nb₅Si₃结构最不稳定，这与形成能的计算结果一致。α-Nb₅Si₃，β-Nb₅Si₃和γ-Nb₅Si₃费米能级附近价带主要是由Nb的4d轨道及Si的3s和3p轨道贡献，且α-Nb₅Si₃的赝能隙处在高能区，因此结构最稳定。

关键词：Nb₅Si₃；第一性原理；态密度；布居数；弹性性质

中图分类号：TM911 文献标志码：A 文章编号：1007-2683（2015）05-0014-06

0 引言

从20世纪初期到20世纪末，金属间化合物从刚开始被发现发展成为了新一代主要备选高温材料。金属间化合物刚被发现的时候，由于其在室温条件下的脆性非常大而导致加工受阻，使其在实际的生产应用中很难广泛的使用。研究发现：金属间化合物的强度随着温度的持续升高，先增大后减小，南于其脆性较大而塑性较低的原因，使其在实际应用中并未取得成果。随着高性能航空航天飞行器的发展，高性能航空发动机和超然冲压发动机的热端部件工作温度不断提高，已经超过镍基高温合金的极限温度，迫切需要寻求新型的超高温材料以替代Ni基高温合金。1985年，美国空军实验室制定了综合高性能涡轮技术计划，提出开发可在1400℃使用的材料，使发动机的推重比达到15～20。……