齐欣欣, 宋广平, 尹维龙, 王明福, 赫晓东, 郑永挺, 王荣国, 柏跃磊

新型三元层状硼化物Cr4AlB4的物相稳定性和力学行为分析

齐欣欣1, 宋广平1, 尹维龙1, 王明福2, 赫晓东1, 郑永挺1, 王荣国1, 柏跃磊1

(1. 哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室, 哈尔滨 150080; 2. 北京动力机械研究所, 北京 100074)

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。

MAB相; 密度泛函理论; 物相稳定性; 力学性能

超高温陶瓷(Ultra-High Temperature Ceramics, UHTCs)凭借优良的高温性能在航空航天领域具有广阔的应用前景, 其中二元硼化物更是具备了较好的综合性能[1]。然而, 二元硼化物的本征脆性和较差的抗氧化性是限制其实现应用的主要障碍。近二十年来, 在二元碳化物、氮化物中插入主族原子形成的M+1AX相化合物(M为过渡金属元素, A是IIIA或IVA主族元素, X是C或N,=1-3)由于具备高断裂韧性、高损伤容限、良好的抗热震和抗氧化性能而备受人们关注[2]。……