过渡族金属与碳、氮二元体系成分-温度-压力相图的理论研究

过渡族金属的碳化物与氮化物由于具有高熔点与高硬度等优异的性能，具有非常广泛的工业用途。其中碳化钨基硬质合金目前被广泛用做切削刀具与模具材料，渗碳体则是碳钢的重要强化相。近年来，通过采用高温高压实验方法，国外研究人员成功合成了一系列具有高体弹性模量与高硬度的新型氮化物，如氮化铂、氮化铱、氮化锇、氮化钽、氮化镐、氮化铪等。相比之下，目前对碳化物的实验研究则比较稀少。为了有效避免实验的盲目性，节省新材料开发所需的人力和物力，我们迫切地需要从理论层次上对过渡族金属碳、氮化物的高温高压相图进行预测。本项目将通过基于计算热力学的CALPHAD相图计算方法、基于密度泛函理论的第一性原理计算方法、以及基于簇展开法的蒙特卡罗模拟退火等方法的系统集成，得到一套可描述3d-5d过渡族金属与碳、氮二元体系的成分-温度-压力相图的热力学数据库。该研究工作的完成可望为极端条件下探索新型碳、氮化物提供理论指导。

在本次工作中， 我们采用第一性原理计算方法对碳化钨的热状态方程进行了理论计算。结合第一性原理计算与基因进化算法,我们还在国际上首次预测了Ti-C二元体系的压力-成分相图。我们成功地完成了对碳化钨化合物的等温压缩曲线，压缩系数，热膨胀系数，Hugoniot曲线，热容，Grüneisen参数于Debye温度的第一性原理预测，计算结果与实验符合很好。计算表明WC具有各向异性压缩和各向同性热膨胀的奇异特性。采用第一性原理计算与进化算法软件包USPEX，我们对Ti-C二元体系中的TixCy化合物在高压下的稳定晶体结构进行了理论预测。我们发现Ti-C体系中存在两个在高压下的稳定相: I4/m Ti2C与P4/mbm Ti3C2。Ti2C化合物仅在40-60GPa的压力区间会稳定存在，而Ti3C2化合物在高压下一直是稳定的。Ti2C与Ti3C2化合物都可以在常压下稳定存在,是可能的超硬材料。相信该研究会对高压实验具有非常重要的指导作用。本项目研究成果已被国际Computational Materials Science于Phys. Status Solidi B杂志接受发表。