M4AX3型陶瓷金属复合材料微观结构与其力、电及光学性能的关系研究

M4AX3 phases ceramic-metal composite materials (M for early transition metal, A major for III and IV-group elements, X for Carbon or Nitrogen), to its unusual physical and mechanical properties, has begun to gradually replace the traditional ceramic-metal composite materials. M4AX3 is also a new type of ceramic-metal composite materials that have a great value and broad application prospect. In this project, using the first-principle method, we predict the structure，stability, mechanical, dielectric, optical and electronic transport properties for a series of new M4AX3 phase materials, and state that the change of M, A and X elements is how to affect the properties of M4AX3 phase materials. Meanwhile, we reveal the critical function unit (electronic, atomic, ion, radical and so on) that decide the properties of M4AX3, and the interaction mechanism of critical function unit and correlation with properties. By doing so, we can understand the essential reasons why M4AX3 phase materials have excellent and different properties.The study enriches the species of M4AX3 phase materials, and understands the relationship between material structure and properties from micro-level. Moreover, it provides a theoretical basis for constructing efficient new type of M4AX3 materials. Meanwhile, the study also promote the comprehensive crossover and organic fusion among different disciplines, such as mechanics, materials, condensed matter physics and so on, and have important academic significance.

M4AX3型陶瓷/金属复合材料（M 为早期过渡金属，A主要为Ⅲ和Ⅳ族元素，X为碳或氮）以其不同寻常的物理力学性能已开始逐步取代传统的陶瓷/金属复合材料，成为一类具有重要研究价值和广阔应用前景的新型陶瓷/金属复合材料。本项目采用第一性原理方法，预测一系列新型M4AX3相材料的结构、稳定性及其力学、介电、光学、电子输运性能，阐明M、A及X元素的改变对M4AX3相材料相关性能的影响规律，揭示决定其性能的关键功能基元（电子、原子、离子和基团等），及功能基元间的相互作用机制与其性能之间的关系，认识M4AX3相系列材料所具有的优异性能以及产生差异的本质原因。该研究不仅丰富了M4AX3相材料的种类，并从微观的层次上认识材料结构与性能之间的关系，为构建高效新型的M4AX3相材料提供理论基础，同时还可促进力学、材料和凝聚态物理等学科的综合交叉和有机融合，有着重要的学术意义。

本项目主要采用第一性原理方法，从理论上预测一系列新型M4AX3相材料的结构稳定性和力电光等性能。在此研究的基础上，对Mn+1AXn体系中更高阶相Ti5Al2C3的相关性能以及低阶相Nb2InC的超导性能也进行了深入研究。另外，还对新型无铅铁电压电材料BiMO3(M=In, Al)的力电光、压电以及非线性光学性能进行了细致地研究。同时，还研究了外加力学载荷对以上体系相关性能的影响。研究结果表明：(1)预测的一系列新型M4AX3相材料都是结构稳定的，有希望在实验中被合成，而且这些M4AX3相材料都是潜在的能够作为抵挡太阳光热的涂层材料；(2)M元素的改变对体系结构稳定性以及相关性能有着明显的影响，体系的体积模量、韧性、杨氏模量和德拜温度θD随着M元素原子数的改变呈现了规律性的变化；(3)外加应变载荷能够有效调控Nb2InC体系的结构、力学、电子以及超导性能。在拉应变下，Nb2InC发生了同型相变，当拉应变达到4%时，体系获得了负的泊松比。电子结构计算表明，体系的Nb-C键要强于Nb-In键。其超导跃迁温度Tc在压应变达到10%时，有着相当明显的增加。结合计算的声子态密度和Eliashberg函数，揭示了Nb2InC体系超导性的微观机制；(4)在分别对Ti5Al2C3的两种不同结构(六角形H和三角形T）总能、Gibbs自由能、力学及电子结构的研究中发现T-Ti5Al2C3体系结构更加稳定，并具有更好的力学性能，更高的热传导率和各向异性，而H-Ti5Al2C3要比其它的Ti-Al-C化合物具有更好的韧性。在外加压力作用下，H-Ti5Al2C3比T-Ti5Al2C3更易压缩，随着外界压力的增加，这两个结构都会变得越来越不稳定；(5)在压应变的作用下，BiInO3体系会发生一阶相变，从铁电相过渡到顺电相。而在拉应变作用下，该体系能维持铁电性，但铁电性随着拉应变的增加逐渐减弱。而且外加应变能有效调控该体系的电子和光学性能；(6) BiAlO3体系的SHG张量d12和d31比LiNbO3还要高，其电子、压电及非线性光学性能对外加应变载荷也是相当敏感。研究发现其极好的非线性光学性能主要来自于BiO12的立方八面体结构，然而在外加应变作用下，该体系极好的非线性光学性能却主要来自于AlO6八面体结构。