W基和Zr基合金的第一性原理研究

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钨和锆作为核材料,它们的合金一直被广泛关注。本论文采用基于密度泛函理论结合第一性原理计算方法研究了钨基合金和锆基合金的一些物理性质。主要包括合金的相稳定性、力学性质以及热学性质。  对于钨基合金我们研究了W-Ta和W-Re的相稳定性和力学性质。我们用准无规近似(SQS)方法产生了浓度分别为0.25、0.50和0.75的结构,利用匹配关联函数的方法,找出与标准关联函数最匹配的结构。接着我们计算了合金的弹性常数。所有的弹性常数都为正值和结合能为负值表明SQS产生的结构具有力学稳定性。另外合金的弹性模量(B)随着掺Ta的增多而减少随着掺Re的增多而增加,说明掺Re有助于提高的W的抗压性或抗形变能力。最后通过弹性常数计算泊松比和G/B的值,说明我们的合金都属于韧性材料并且掺Ta和掺Re都可以提高其韧性。  对于Zr合金我们研究了ZrAl合金的相稳定性、力学性质和热学性质。在实验上对于Zr-Al合金可以形成Zr3Al、Zr2Al、ZrAl、ZrAl2、ZrAl3五种有序相。我们从弹性常数和形成焓分析五种结构都满足稳定性条件,并且ZrAl2的形成焓最低,说明其结构最稳定。在力学性质方面,通过对弹性模量B、剪切模量G、杨氏模量以及泊松比的分析,ZrAl2和ZrAl3都具有比较高的值并且都属于韧性材料,意味着它们的力学性质较好。在热学性质方面,我们计算了声速V、德拜温度ΘD和比热容Cv,从结果分析来看ZrAl2和ZrAl3也具有较好的热学性质,并且预测ZrAl3应该具有最高的熔点和热导率。上述结果表明Zr-Al体系中ZrAl2和ZrAl3都具有良好的热力学性质。
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