核心概念
本文利用第一性原理計算,探討了鈹在高溫高壓下的熱彈性性質,並分析了常用近似方法的準確性,為研究六方密堆積金屬在極端條件下的熱彈性提供了一種實用的方法。
摘要
論文概述
本文是一篇研究論文,利用第一性原理計算方法,研究了六方密堆積(hcp)金屬鈹在高溫高壓下的熱彈性性質。
研究目的
- 探討鈹在高溫高壓下的熱彈性性質。
- 量化零靜態內應力近似(ZSISA)和體積約束ZSISA(V-ZSISA)在從頭算熱力學計算中的準確性。
- 比較ZSISA計算C11和C12彈性常數的結果與一種新的數值方法的結果,該方法在每個應變下都對原子位置進行自由能最小化。
研究方法
- 基於密度泛函理論(DFT),採用LDA交換關聯泛函和平面波基組,利用Quantum ESPRESSO軟件包進行計算。
- 採用準諧波近似(QHA)計算自由能,並通過對自由能進行應變導數計算得到彈性常數。
- 比較了ZSISA、V-ZSISA和全自由能最小化(FFEM)方法計算得到的彈性常數。
主要發現
- ZSISA和V-ZSISA在鈹中都是準確的,對最終的QHA彈性常數影響很小。
- 與準靜態近似(QSA)相比,QHA得到的結果更接近實驗結果。
- 計算得到了鈹在4 K、500 K和1000 K溫度下的壓力相關QHA彈性常數。
主要結論
- 本文提供了一種研究六方密堆積金屬在極端條件下熱彈性的實用方法。
- ZSISA和V-ZSISA是計算鈹熱彈性的有效近似方法。
- QHA比QSA更能準確地描述鈹的熱彈性。
研究意義
本研究為高溫高壓下鈹的熱彈性性質提供了重要的理論依據,並為其他六方密堆積金屬的熱彈性研究提供了參考。
研究局限和未來方向
- 本文僅考慮了鈹的熱彈性性質,未來可以將該方法應用於其他六方密堆積金屬。
- 可以進一步研究更精確的計算方法,例如考慮非諧效應。
統計資料
從 0 K 到 1500 K,使用二維網格插值得到的彈性常數變化為:∆C11 = 391 kbar (13%)、∆C12 = 24 kbar (10%)、∆C13 = −26 kbar (−20 %)、∆C33 = 457 kbar (13 %)、∆C44 = 159 kbar (10 %)。
在 V-ZSISA 近似下,從 0 K 到 1500 K,彈性常數變化為:∆C11 = 336 kbar (11%)、∆C12 = 41 kbar (16%)、∆C13 = −29 kbar (−19 %)、∆C33 = 438 kbar (12 %)、∆C44 = 160 kbar (10 %)。
在 ZSISA 近似下,4 K 時,ZSISA C11 比 FFEM C11 高不到 1 kbar;在 1500 K 時,差異為 ∆C11 = −12 kbar (−0.4%)、∆C12 = 12 kbar (2%)。
從 0 K 到 1500 K,絕熱 QHA 彈性常數變化為:∆C11 = 678 kbar (22%)、∆C12 = −145 kbar (−44%)、∆C13 = −146 kbar (−75 %)、∆C33 = 784 (22 %)、∆C44 = 369 (23 %)。