高压下氮化钛的结构预测和物性研究

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高压的作用可以使物质存在的状态变得丰富多样,从而给材料带来许多新奇的物理和化学性质,这极大地拓宽了材料研究的方向和维度。在压力作用下,物质内原子之间会相互靠拢,可能导致结构相变。因此,物质的性质会随着压力的变化而发生改变。因此,研究高压下的物质的结构是很有意义的。氮化钛具有极高的硬度、极高的熔点和优异的耐腐蚀性,所以其被广泛应用于切削刀具涂层和耐磨涂层。刀具在切削过程中,瞬间会受到很大的压力,因此探索高压下TiN材料可能存在的结构以及其力学性质具有比较好的实际科学和应用意义,需要对其进行更加深入的研究。本文以氮化钛(TiN)为研究对象,利用晶体结构搜索的方法预测了其高压晶体结构,对其结构相变、弹性和热力学性质等做了研究。研究结果如下:(1)在0-400 GPa的压力范围内,TiN晶体发生了两次结构相变,相变次序为B1->P63/mmc->B2。其中,空间群B1到P63/mmc相的相变压强为270 GPa,P63/mmc到B2相的相变压强为347 GPa。(2)通过声子谱的分析,我们发现理论预测的TiN晶体在高压下的结构没有虚频,说明动力学上是稳定的结构。(3)通过弹性常数和热力学性质的计算,我们发现B1和P63/mmc几乎是各向同性的,且是脆性材料,而B2相是各向异性的,是韧性材料。B1和P63/mmc内部的化学键强于B2相,表现为较高的德拜温度。我们的研究为TiN和此类材料的合成和应用提供了比较有价值的理论基础。
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