Ge、Si元素对ZrO2和Zr(Fe,Cr)2能量与电子结构的影响

作者：周惦武; 何蓉; 刘金水; 彭平

来源：材料导报, 2017, 31(22): 146-152.

• 锆合金
• 结构稳定性
• 形成能力
• 电子结构
• 第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究Ge、Si元素对锆合金中与腐蚀相关的ZrO2氧化膜相和Zr(Fe,Cr)2第二相能量与电子结构的影响。合金形成热、结合能的计算结果表明:ZrO2四方相结构不稳定,立方相易形成且结构稳定,氧化膜晶体结构从四方相向立方相发生转变影响锆合金的耐腐蚀性能;Ge、Si元素均降低ZrO2立方相的结构稳定性和形成能力,与Ge相比,Si易取代Zr(Fe,Cr)2第二相中的Cr,增加锆合金Fe/Cr原子比。电子态密度和Mulliken电子占据数的计算结果表明:ZrO2中Zr与O存在杂化共振与较强的离子键作用,Ge、Si降低ZrO2立方相结构稳定性的原因主要在于削弱了Zr-O之间的离子键作用;ZrO2氧化膜相和Zr(Fe,Cr)2第二相是影响锆合金耐腐蚀性能的两个重要因素,对Si而言,形成含Si的Zr(Fe,Cr)2第二相对锆合金耐腐蚀性能产生不利影响,改善锆合金耐腐蚀性能需要ZrO2晶体结构改变占主导地位;对Ge而言,含Ge的Zr(Fe,Cr)2第二相难形成,第二相对锆合金耐腐蚀性能的影响相对Si较小,减缓ZrO2由四方相向立方相的转变倾向,是Ge改善锆合金耐腐蚀性能的重要原因。

• 单位
  湖南大学; 汽车车身先进设计制造国家重点实验室