摘要：Nb/Nb5Si3界面结构和结合强度的第一性原理研究

Nb/Nb5Si3复合材料具有熔点高、导热性好、高温强度高等一系列优点，有望成为一种新型的航空高温结构材料，但其室温断裂韧性较差，且高温抗氧化性严重阻碍了其实际应用。近年来，许多研究采用合金化方法通过改变电子结构、界面键的类型和键合强度来改善金属间化合物的力学性能。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，系统地研究了Nb表面、α-Nb5Si3(001)表面、Nb(001)/α-Nb5Si3(001)界面的性质以及合金元素的影响。 Nb(001)/α-Nb5Si3(001) 界面系统上的 Hf 原子。 (1) Nb(001)表面的表面能为2.25 J/m2，最外层两层之间的距离减小了12%，与实验结果一致。块体材料 Nb5Si3 沿 (001) 面 Nb/Si 和 Nb/NbSi 的分离能分别为 5.103J/m2 和 5.787J/m2。 (2) 建立了Nb(001)/α-Nb5Si3(001)四种不同的界面模型，并取得了一些重要结果：对于以纯Si层和NbSi混合层为界面终端的界面模型，它原本属于对金属 Nb 相的一层 Nb 原子层进行了优化，整层旋转了 13.9，其与上原子层的层间距也变得与块状材料 Nb5Si3 中对应层的层间距非常相似。这层Nb原子层几乎变成了Nb5Si3的一部分，而这层Nb原子层处于低态密度水平呈现了存在于块状材料 Nb5Si3 中但不存在于体心立方结构材料 Nb 中的电子态。四种界面模型根据四种界面模型在界面处的原子结构特征分为两类。 (3) 计算了Nb(001)/α-Nb5Si3(001)界面模型的界面结合功，与块状材料Nb和Nb5Si3的分离能相比，界面区域结合力最弱;而界面Nb/Si结处的键合功最小，即Nb/Si位置的键合功是整个界面结构中最弱的，也是Nb/Si最多的地方当外力作用于界面材料时，可能首先产生微裂纹。此外，还分析了Nb(001)/α-Nb5Si3(001)界面模型的态密度、电荷布居和重叠布居。 (4) 合金元素 Hf 原子最有可能取代 Nb5Si3 块体材料中松散的 Nb 层原子。在界面体系中，Hf 原子容易偏析在松散的 Nb 层中。 Hf 原子对 Nb(001)/α-Nb5Si3(001) 界面的结合功和层间距有影响。

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