中国有色金属学报(英文版)2024,Vol.34Issue(3) :952-965.DOI:10.1016/S1003-6326(23)66445-3

低价锆氧化物Zr3O的结构、热力学和弹性性质第一性原理研究

First-principles investigation on structural,thermodynamic,and elastic properties of suboxide Zr3O phase

周虹伶 陈莉君 杨晓玲 刘许旸 孙超 栾佰峰
中国有色金属学报(英文版)2024,Vol.34Issue(3) :952-965.DOI:10.1016/S1003-6326(23)66445-3

低价锆氧化物Zr3O的结构、热力学和弹性性质第一性原理研究

First-principles investigation on structural,thermodynamic,and elastic properties of suboxide Zr3O phase

周虹伶 1陈莉君 1杨晓玲 1刘许旸 2孙超 3栾佰峰4
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作者信息

  • 1. 重庆大学材料科学与工程学院轻合金材料国际合作联合实验室,沈阳材料科学国家研究中心,重庆 400044
  • 2. 重庆大学航空航天学院,重庆 400044
  • 3. 中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室,成都 610213
  • 4. 重庆大学材料科学与工程学院轻合金材料国际合作联合实验室,沈阳材料科学国家研究中心,重庆 400044;重庆大学机械传动国家重点实验室,重庆 400044
  • 折叠

摘要

采用第一性原理系统地研究3种Zr3O晶形(空间群分别为R3c(斜方六面体)、R32(斜方六面体)和P6322(六面体))的晶格动力学及其与温度相关的热力学和力学性质.计算得到的3种Zr3O晶形的晶体结构参数与实验结果一致.此外,证明3种Zr3O结构在动力学和热力学上均具有稳定性.获得了 3种Zr3O晶形在0~1500 K温度范围内的熵、焓、吉布斯自由能、比热容、热膨胀系数和弹性模量等性质.发现3种Zr3O晶形在0K时的相对稳定性顺序为 Zr3O(R3c)>Zr3O(R32)>Zr3O(P6322);然而,在 50 K 时 Zr3O(R3c)转变成 Zr3O(R32),在 540 K时转变为Zr3O(P6322).相较于其他2种Zr3O相,Zr3O(R32)表现出更优越的力学性能.

Abstract

The lattice dynamics and finite-temperature thermodynamic and mechanical properties of three Zr3O polymorphs,including rhombohedral(R3c),rhombohedral(R32),and hexagonal(P6322)phases,were theoretically investigated using the first-principles calculations.The calculated lattice parameters agree well with experimental values.It is confirmed that the three Zr3O phases exhibit both dynamic and thermodynamic stability.The entropy,enthalpy,Gibbs free energy,specific heat capacity,thermal expansion coefficient,and elastic modulus as a function of temperature from 0 to 1500 K were systematically evaluated.It is found that Zr3O(R3c)is the ground state at 0 K followed by Zr3O(R32)and Zr3O(P6322).Structural phase transitions occur from Zr3O(R3c)to Zr3O(R32)at 50 K and then to Zr3O(P6322)at 540 K.Zr3O(R32)displays superior mechanical properties compared to the other two Zr3O phases.

关键词

第一性原理/Zr3O/晶格动力学/热力学性质/弹性模量

Key words

first-principles/Zr3O/lattice dynamics/thermodynamic properties/elastic modulus

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基金项目

国家自然科学基金(U20A20232)

国家自然科学基金(U1867202)

出版年

2024
中国有色金属学报(英文版)
中国有色金属学会

中国有色金属学报(英文版)

CSTPCDCSCD
影响因子:1.183
ISSN:1003-6326
参考文献量55
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